Сотрудники и аспиранты Физического факультета МГУ (доц. Т.В. Мурзина, проф. Б.И. Манцызов, ассистент С.Е. Свяховский, н.с. А.И. Майдыковский, асп. Д.А. Копылов и асп. В.Б. Новиков, кафедра квантовой электроники и общей физики) экспериментально исследовали генерацию второй гармоники в одномерных фотонных кристаллах из пористого кварца в геометрии Лауэ.
Проблема частотного преобразования света имеет большое значение в лазерной физике. Использование периодических диэлектрических структур позволяет достигать высокой эффективности преобразования. Фотонные кристаллы (ФК) ─ диэлектрические структуры показатель преломления, которых модулируется на масштабах длины волны света. В таких объектах фазовый синхронизм, необходимый для генерации второй гармоники (ВГ) достигается за счет особенностей дисперсии света вблизи краев фотонных запрещенных зон. Эффективность нелинейного преобразования может быть повышена благодаря эффектам локализации электромагнитного поля и уменьшению групповой скорости света. Эффекты в одномерных фотонных кристаллах исследуются, как правило, в геометрии Брэгга и представлены в многочисленных работах. Если ФК состоит из нескольких сотен слоев и обладает достаточной толщиной, то возможно исследование нелинейных процессов в ФК в геометрии Лауэ, что до настоящего времени не проводилось.
Следует отметить, что в геометрии Лауэ в общем случае отсутствуют фотонные запрещенные зоны. Излучение внутри ФК локализуется в чередующихся слоях и перераспределяется между собственными модами: бормановской (Б) и антибормановской (аБ), соответствующими слоям с низкими и высокими показателями преломления. Генерация второй гармоники была теоретически предсказана А.П. Сухоруковым для шести типов синхронизмов между модами накачки и второй гармоники.
Группой ученых физического факультета МГУ изучены нелинейные свойства одномерных ФК на основе пористого кварца, созданных на факультете. Оптическая нелинейность создавалась в них двумя различными способами: при введении в поры сегнетоэлектрической соли (нитрит натрия) и при помощи неполного термического окисления образца, где нелинейность создают поверхности нанокристаллитов кремния.
В первом случае подбор условия синхронизма был осуществлен теоретически при помощи варьирования относительных толщин слоев. Согласно вычисленным параметрам был изготовлен фотонный кристалл. Эксперимент реализован для фазового синхронизма между анти-бормановскими модами накачки и второй гармоники. Исследовались индикатрисы интенсивности ВГ в зависимости от угла падения излучения, длины волны и поляризации света. Обнаружено, что генерация ВГ происходит вблизи брэгговского угла падения и формирует два острых максимума в направлении нулевого и первого порядков дифракции. Один из максимумов представлен на рис. 1.
Во втором случае, в ФК из частично окисленного пористого кремния аналогичным образом были обнаружены фазовые синхронизмы между аБ-модами накачки и ВГ, а также между аБ и Б-модами накачки и Б-модой ВГ, в полном согласии с разработанной ранее теорией. Измеренная индикатриса ВГ показана на рис. 2. Кроме того, был обнаружен дополнительный максимум генерации ВГ, не соответствующий имеющимся дифракционным порядком.
Рис. 1. Фрагмент углового распределения интенсивности ВГ в зависимости от угла падения излучения накачки.
Этот максимум объясняется появлением в ФК периодической решетки в направлении поперек слоев. Такая решетка возникает вследствие маятникового эффекта: между собственными модами ФК возникают биения, создающие стационарное периодическое в пространстве распределение интенсивности. В максимумах этого распределения возникает электро-индуцированная квадратичная восприимчивость.
Полученные угловые и спектральные зависимости подтверждают синхронный характер генерации ВГ. Использование брэгговской дифракции в геометрии Лауэ для частотного преобразования света имеет преимущества по сравнению с геометрией Брэгга, поскольку позволяет использовать протяженные структуры, увеличивая оптический путь и эффективную длину взаимодействия.
Рис. 2. Угловая зависимость интенсивности генерации ВГ в кристалле с нанокристаллитами кремния
D. A. Kopylov, S. E. Svyakhovskiy, L. V. Dergacheva, V. A. Bushuev, B. I. Mantsyzov, T. V. Murzina “Observation of optical second-harmonic generation in porous-silicon-based photonic crystals in the Laue diffraction scheme”, Physical Review A93, 053840 (2016);
V. B. Novikov, A. I. Maydykovskiy, B. I. Mantsyzov, T. V. Murzina “Laue diffraction in one-dimensional photonic crystals: The way for phase-matched secondharmonic generation.” Physical Review B93, 235420 (2016).
