Improved third harmonic generation and nonlinear beamforming with resonant silicon metasurfaces
Creators: name: Reineke Matsudo, Bernhard Johannes
Publisher: name: Universität Paderborn
Year: 2022

description: In dieser Arbeit haben wir das nichtlineare geometrische Phasenverhalten von amorphen Silizium Metaoberflächen untersucht. Die Metaoberflächen wurden aus einem dünnen Film aus amorphem Silizium durch Elektronenstrahllithografie und reaktives Ionenätzen hergestellt. Das geometrische Phasenverhalten und die nichtlineare Umwandlungseffizienz wurden mit Hilfe eines Fourier-Raum Aufbaus untersucht, der es uns ermöglicht, die räumliche Fourier-Transformation der Metaoberflächen auf eine Kamera abzubilden und von dieser auf das Phasenverhalten der Metaoberfläche zu schließen. Um die Phasenantwort bei der Erzeugung der dritten Harmonischen zu untersuchen, haben wir ein Phasenprofil ähnlich einem Blaze-Gitter und ein Multiplex Hologramm kodiert, um die Machbarkeit dieses Ansatzes zu demonstrieren. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die geometrische Phase in den Prozess der nichtlinearen Erzeugung der dritten Harmonischen integriert werden kann und zur Lenkung und Formung des erzeugten Lichts verwendet werden kann. Darüber hinaus erwarten wir unterschiedliche geometrische Phasenreaktionen in Abhängigkeit von der Rotationssymmetrie. Im Falle einer C1- oder C2-Rotationssymmetrie ist die geometrische Phase proportional zum 2-fachen Drehwinkel bei Kopolarisation und zum 4-fachen Drehwinkel bei Kreuzpolarisation. Da die geometrische Phase in zwei orthogonalen Polarisationskanälen unterschiedlich ist, kann das Prinzip der nichtlinearen geometrischen Phase zur Codierung von Multiplex-Hologrammen verwendet werden, die durch Umschalten des Polarisationszustands von Ko- auf Kreuzpolarisation von einem auf das andere Bild umschalten können. Hier verwenden wir amorphes Silizium zur Realisierung der Metaoberflächen. ...
description: In this work, we have investigated the efficient nonlinear geometric phase response of amorphous silicon Metasurfaces. The Metasurfaces are fabricated from a thin amorphous silicon film by electron beam lithography and reactive ion etching. The geometric phase response and the nonlinear conversion efficiency were investigated using a Fourier spatial imaging setup, which allows us to map the spatial Fourier transform of the Metasurfaces, which can be used to understand the phase response of the Metasurfaces at the third harmonic wavelength. To investigate the phase response in the third harmonic generation, we coded a phase profile similar to a blazed grating and a multiplexed hologram to demonstrate the feasibility of this approach. In summary, the geometric phase can be integrated into the nonlinear third-harmonic generation process and can be used to direct and shape the generated light.Furthermore, we expect different geometric phase responses depending on the rotational symmetry. In the case of C1 or C2 rotational symmetry, the geometric phase is proportional to two times the rotation angle and four times the rotation angle for cross-polarization. Since the geometric phase is different in two orthogonal polarization channels, the principle of the nonlinear geometric phase can be used to encode multiplexed holograms, which can be switched from co- to cross-polarization by switching the polarization state. Here we use amorphous silicon to realize the Metasurfaces. However, as shown in this work, the nonlinear PB phase principle requires circularly polarized fundamental excitation compared to linearly polarized excitation in the case of nonlinear Huygens Metasurfaces. Therefore, amorphous silicon seems to have a disadvantage in the context of nonlinear PB phase control due to its isotropic nature since THG from an isotropic material is forbidden under circularly ...