Нелинейные оптические эффекты возникают в материалах, когда отклик среды на электромагнитное поле перестает быть пропорциональным амплитуде падающего излучения. В традиционных кристаллах такие эффекты проявляются только при очень высоких интенсивностях света. Метаматериалы же, благодаря специально разработанной субволновой структуре, способны усиливать локальные поля и существенно снижать порог возбуждения нелинейности. Это открывает путь к созданию компактных и высокоэффективных устройств нелинейной оптики.
Ключевым отличием является то, что в метаматериалах параметры, определяющие нелинейное поведение (такие как нелинейная восприимчивость χ^(2), χ^(3) и выше), можно инженерно конструировать и контролировать путем выбора формы, геометрии и материала метаатомов.
При взаимодействии света с метаматериалами локальные поля внутри структурных элементов (нанорезонаторов, плазмонных включений, диэлектрических резонаторов) могут быть многократно выше амплитуды падающей волны. Это приводит к значительному усилению нелинейных процессов:
Особенно значимо то, что метаматериалы позволяют обойти ограничение фазового согласования, присущее обычным кристаллам. Взаимодействие различных гармоник может быть настроено через дисперсионные свойства искусственной среды.
Второй порядок нелинейной восприимчивости возникает только в средах без центра симметрии. Поскольку метаматериалы могут проектироваться с асимметричными нанostructурами, в них возможно создание эффективной χ^(2)-нелинейности даже при использовании материалов с изначально центросимметричной кристаллической решеткой (например, металлов).
Примеры:
Нелинейность третьего порядка особенно важна для процессов самофокусировки, генерации третьей гармоники, эффекта Керра и нелинейного поглощения. Метаматериалы позволяют достичь сильного увеличения χ^(3) благодаря двум механизмам:
В таких системах наблюдаются сверхбыстрые эффекты изменения показателя преломления, что делает возможным создание компактных оптических переключателей и модуляторов с фемтосекундными временами отклика.
Для расширения функционала часто применяются гибридные конструкции, сочетающие:
Такие системы демонстрируют рекордные значения нелинейных коэффициентов и могут быть интегрированы в фотонные чипы.
В метаматериалах возможно управлять не только величиной нелинейного отклика, но и его фазой. Благодаря искусственно созданным дисперсионным свойствам удается достигать фазового согласования по проекту. Это принципиально важно для:
При высоких интенсивностях поля в метаматериалах проявляются нелинейные эффекты насыщения:
Эти явления не только важны для понимания фундаментальной физики, но и применимы для защиты оптических систем от повреждений (оптические ограничители).