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Doubly resonant second-harmonic generation of a vortex beam from a bound state in the continuum

Résumé

Second-harmonic generation in nonlinear materials can be greatly enhanced by realizing doubly resonant cavities with high quality factors. However, fulfilling such doubly resonant condition in photonic crystal (PhC) slab cavities is a long-standing challenge, because of the difficulty in engineering photonic bandgaps around both frequencies. Here, by implementing a second-harmonic bound state in the continuum (BIC) and confining it with a heterostructure design, we show the first doubly resonant PhC slab cavity with 2.4×102  W12.4 \times {10^{- 2}}\;{{\rm W}^{- 1}} intrinsic conversion efficiency under continuous-wave excitation. We also report the confirmation of highly normal-direction concentrated far-field emission pattern with radial polarization at the second harmonic frequency. These results represent a solid verification of previous theoretical predictions and a cornerstone achievement, not only for nonlinear frequency conversion but also for vortex beam generation and prospective nonclassical sources of radiation.

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Cristal photonique
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Génération de seconde harmonique
vignette|Niveaux d'énergie impliqués dans la création de SHG La génération de seconde harmonique (GSH ou SHG en anglais, également appelé doublage de fréquence) est un phénomène d'optique non linéaire dans lequel des photons interagissant avec un matériau non linéaire sont combinés pour former de nouveaux photons avec le double de l'énergie, donc avec le double de la fréquence ou la moitié de la longueur d'onde des photons initiaux. La génération de seconde harmonique, en tant qu'effet optique non linéaire d'ordre pair, n'est autorisée que dans les milieux sans centre d'inversion .
Optique non linéaire
Lorsqu'un milieu matériel est mis en présence d'un champ électrique , il est susceptible de modifier ce champ en créant une polarisation . Cette réponse du matériau à l'excitation peut dépendre du champ de différentes façons. L'optique non linéaire regroupe l'ensemble des phénomènes optiques présentant une réponse non linéaire par rapport à ce champ électrique, c'est-à-dire une réponse non proportionnelle à E.
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