Nontrivial phase matching in helielectric polarization helices: Universal phase matching theory, validation, and electric switching

电场 极化(电化学) 非线性系统 液晶 物理 非线性光学 拓扑(电路) 光学 非线性光学 圆极化 光电子学 量子力学 化学 数学 微带线 物理化学 组合数学
作者
Xiuhu Zhao,Huaqian Long,Hao Xu,Junichi Kougo,Runli Xia,Jinxing Li,Mingjun Huang,Satoshi Aya
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:119 (29) 被引量:27
标识
DOI:10.1073/pnas.2205636119
摘要

Second-order optical nonlinearity is the essential concept for realizing modern technologies of optical wavelength conversion. The emerging helical polarization fluid, dubbed helielectric nematic, now makes it possible to design and easily fabricate various polarization structures and control their optical responses. The matter family is demonstrated as an ideal liquid platform for nonlinear optical conversion and amplification with electric-reconfigurable tunability. We here develop a universal phase matching theory and reveal a nonclassic chirality-sensitive phase-matching condition in the polarization helices through both the numerical calculation and the experimental validations. The nonlinear optical amplification can be dramatically modulated with a contrast ratio of >100:1 by an in-plane electric field. Furthermore, we employ the director relaxation under electric fields coupled with nonlinear optical simulation to clarify the topology-light interactions.

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