Small Science:介质纳米天线的全光调制——多共振控制和超快空间不均匀性

光学纳米天线是基于金属或全介电材料的亚波长共振纳米结构,可以通过作用于几何参数来设计其谐振响应,从而实现对散射光场的精细控制。近年来,利用纳米结构内部的高场强增强和组成介质的高非线性磁化率,光学纳米天线在纳米尺度上实现了强非线性光学效应,开辟了被称为非线性纳米光子学的新的研究前沿。特别是在全介质纳米天线中,利用飞秒激光,根据泵浦光子能量高于或低于半导体的带隙,基于自由载流子的光生效应或瞬时光学克尔效应和双光子吸收,可以实现皮秒,甚至亚皮秒尺度的全光学折射率调制。由于全介质纳米结构通常支持多个米氏共振,同时超快控制过个共振有利于实现宽频带光采集和宽频带调谐等各种应用,以及全彩计算成像到分子条形码等高级功能。然而目前对超快全介质纳米天线的研究一直局限于在相对狭窄的光谱范围内研究单个共振。此外,控制脉冲光致电子和空穴的空间不均匀性,以及随后在纳米尺度上随着载流子扩散而产生的超快动力学的研究迄今为止也一直被忽视。

近日,米兰理工大学Giulio Cerullo教授和Della Valle教授共同合作在Small Science上发表研究论文报道了基于Al.18Ga.82As的多共振全介质纳米天线在强超短激光脉冲激励下的瞬态光学响应。在本工作中,在4种不同的米氏共振(包括Fano-like共振)上,通过可变尺寸的全介质纳米天线,证明了反射率的超快全光学控制,跨越了从可见光到近红外的宽光谱范围。同时,在超快泵浦探针实验的基础上,该工作引入了一个空间非均匀动力学模型,该模型描述了光生载流子在半导体内部扩散的动力学过程,并利用该模型来隔离导致整体瞬态响应的物理现象,即Drude等离子体形成、带填充后的泡利阻塞和热光学效应。基于实验和模拟结果显著的一致性,该理论模型可以为超快全光可重构多共振纳米天线和超表面的设计提供支持。这一工作为介电纳米结构的超快调制物理学提供了深入的见解,并为设计用于电信和传感应用的平面光学超快器件(包括可重构多路复用器)铺平了道路。

Giulio Cerullo教授课题组网站: https://www.femtosecond.fisi.polimi.it/

All‐Optical Modulation with Dielectric Nanoantennas: Multi‐Resonant Control and Ultrafast Spatial Inhomogeneities

Andrea Mazzanti, Eva Aurelia, Arianna Pogna, Lavinia Ghirardini, Michele Celebrano, Andrea Schirato, Giuseppe Marino, Aristide Lemaítre, Marco Finazzi, Costantino De Angelis, Giuseppe Leo, Giulio Cerullo*, Giuseppe Della Valle*

Small Science

DOI: 10.1002/smsc.202000079