Источник генерации второй гармоники

Полезная модель относится к области физики и служит для преобразования падающего лазерного излучения ближнего инфракрасного диапазона в излучение видимого диапазона и может быть использована для нелинейной спектроскопии, в биофотонике, а также для широкополосного фотовозбуждения окружающих ее нанообъектов (молекул красителей, квантовых точек, биологических объектов, резонансных наноструктур и др.).
Известен источник генерации второй гармоники ( Butet et al. «Optical Second Harmonic Generation of Single Metallic Nanoparticles Embedded in a Homogeneous Medium», Nano Lett., 10 (5), 1717-1721, 2010), представляющий собой наночастицу из золота размера 150 нм, помещенную в однородную среду. При облучении частицы фемтосекундным лазером с рабочей длиной волны 794 нм, генерация второй гармоники наблюдалась на длине волны равной 397 нм. Данный источник имеет высокие диссипативные потери, что не позволяет его эффективно использовать для генерации второй гармоники.
Наиболее близкий аналог, предлагаемой полезной модели и выбранный в качестве прототипа, представляет собой источник генерации второй гармоники из частицы, являющейся диэлектрическим резонатором сферической формы на основе поликристаллического кремния, на стеклянной подложке (S.V. Makarov et al. ((Efficient Second-Harmonic Generation in Nano crystalline Silicon Nanoparticle», Nano Lett., 17 (5), 3047, 2017). Сравнение генерации второй гармоники от вышеописанной частицы и от аморфной пленки кремния показало, что интенсивность второй гармоники в первом случае более чем в два раза выше по сравнению с интенсивностью второй гармоники от аморфной пленки кремния. Происхождение таких высоких значений эффективности объясняется двумя основными эффектами. Первый эффект заключается в поликристалличности структуры наночастицы, что приводит к локальному нарушению инверсной симметрии и вызывает усиленный оптический отклик второго порядка. Второй эффект связан с возбуждением Ми-резонансов в наночастице кремния. В данной работе использовался фемтосекундный лазер с рабочей длиной волны 1050 нм. Таким образом, генерация второй гармоники от наночастицы кремния наблюдалась на длине волны 525 нм. Недостатком прототипа является ограниченная интенсивность выходного излучения видимого диапазона, необходимого для эффективного использования в нелинейной спектроскопии и биофотонике.
Задачей, на решение которой направлена данная полезная модель, является увеличение интенсивности выходного излучения видимого диапазона.
Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в повышении коэффициента преобразования энергии падающего инфракрасного излучения в энергию излучения видимого диапазона. Данный технический результат достигается тем, что источник генерации второй гармоники, состоящий из размещенного на подложке диэлектрического резонатора сферической формы на основе поликристаллического кремния, отличается тем, что радиус резонатора лежит в диапазоне от 40 нм до 120 нм, а подложка выполнена из золотого слоя, толщина которого равна не менее 40 нм. Описанная структура источника генерации второй гармоники приводит к усилению возбуждаемых внутри диэлектрического резонатора мультипольных моментов электромагнитного поля. Параметры наночастицы подобраны для наиболее эффективного возбуждения электрической дипольной моды диэлектрического резонатора. За счет этого, а также за счет взаимодействия наночастицы с золотым слоем достигается увеличение коэффициента преобразования энергии падающего излучения ближнего инфракрасного диапазона в излучение видимого диапазона.
Сущность полезной модели поясняется на фиг., где приведена геометрическая структура источника генерации второй гармоники. Источник включает в себя диэлектрический резонатор 1 сферической формы на основе поликристаллического кремния радиуса R и золотой слой 2 толщиной h.
2
Источник генерации второй гармоники работает следующим образом. В силу того, что преобразование частот падающего излучения должно происходить в нелинейном режиме, источник генерации второй гармоники должен облучаться лазерным импульсом (на фиг. не показан) с интенсивностью не менее 100 МВт/см. Преобразование данного импульса в излучение на кратной частоте происходит в диэлектрическом резонаторе 1 за счет наведения нелинейной поляризации второго порядка, которая возникает вследствие поликристаллической структуры резонатора 1. Размещение диэлектрического резонатора 1 на золотом слое 2 вызывает усиление локальных электрических полей внутри резонатора 1 вследствие возбуждения поверхностных плазмон поляритонов на поверхности золотого слоя, что приводит к значительному увеличению интенсивности излучения в видимом диапазоне. Выбор золота в качестве материала для слоя 2 вызван его устойчивостью к окислению, а также наиболее подходящей частотной характеристикой плазмонного резонанса, которая позволяет добиться максимального усиления локальных электрических полей внутри резонатора 1. Материал резонатора 1 поглощает падающее излучение, которое усиливается и преобразует его в излучение с удвоенной частотой. В результате от наночастицы происходит излучение видимого диапазона.
Многочисленные расчеты и результаты экспериментальных исследований показали, что интенсивность излучения второй гармоники предлагаемого устройства более чем на порядок выше, чем интенсивность излучения второй гармоники прототипа при радиусе R, лежащем в диапазоне 40 нм < R < 120 нм, и толщине золотого слоя h≥40 нм.
В качестве примера конкретной реализации предлагается источник генерации второй гармоники, состоящий из диэлектрического резонатора 1 сферической формы на основе поликристаллического кремния радиуса 60 нм и золотого слоя 2 с толщиной 40 нм. Данные параметры подобраны для наиболее эффективного преобразования лазерных импульсов на длине волны равной 1050 нм. Усиление электрического поля и положения резонансов были рассчитаны в профессиональном программном пакете для электродинамических численных вычислений COMSOL Multiphysics. Интенсивность генерации второй гармоники данной конкретной реализации в 14 раз выше, чем у прототипа.
Таким образом, в заявляемой полезной модели происходит повышение коэффициента преобразования энергии падающего излучения ближнего инфракрасного диапазона в излучение видимого диапазона.