Tunable and dual-broadband giant enhancement of second-harmonic and third-harmonic generation in an optimized graphene-insulator-graphene metasurface

石墨烯 等离子体子 太赫兹辐射 高次谐波产生 光电子学 谐波 光子学 宽带 材料科学 基频 物理 二次谐波产生 共振(粒子物理) 光学 纳米技术 量子力学 激光器
作者
Jian Wei You,Nicolae C. Panoiu
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:102 (12) 被引量:10
标识
DOI:10.1103/physrevb.102.121403
摘要

We demonstrate a novel scheme to dramatically enhance both the second- and third-harmonic generation in a graphene-insulator-graphene metasurface. The key underlying feature of our approach is the existence of a double-resonance phenomenon, namely the metasurface is designed to possess fundamental plasmon resonances at both the fundamental frequency and the higher harmonic. In particular, this dual resonant field enhancement at the two optical frequencies, combined with a favorable spatial overlap of the optical near-fields, lead to the increase of the generated higher harmonic by several orders of magnitude. Remarkably, we demonstrate that by tuning the Fermi energy of the graphene gratings the dual-resonance property can be locked-in over a broad spectral range of ~20 THz, and equally important, the enhanced nonlinear frequency generation process can be readily switched in the same device between the second and third harmonic. This new type of graphene metasurface could open up new avenues towards the development of novel ultra-compact and multi-frequency active photonic nanodevices.
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