Нелинейные метаматериалы представляют собой искусственно созданные среды, параметры которых зависят не только от частоты падающего электромагнитного излучения, но и от его интенсивности. При увеличении плотности энергии света в таких материалах возникает зависимость диэлектрической и магнитной проницаемости от амплитуды поля. Это открывает возможность динамического управления характеристиками метаматериалов и реализации новых эффектов, недоступных в линейных средах.
Главной особенностью нелинейных метаматериалов является то, что они способны изменять свое поведение под действием внешнего оптического излучения, что позволяет создавать динамически перестраиваемые устройства — от переключателей и модуляторов до систем сверхскоростной обработки информации.
Керровский эффект (χ³-ненасыщающая нелинейность) В ряде метаматериалов наблюдается зависимость показателя преломления от интенсивности падающего света:
n(I) = n0 + n2I
где n0 — линейный показатель преломления, n2 — коэффициент нелинейности третьего порядка, I — интенсивность. Благодаря этому можно реализовать эффекты самофокусировки, солитонных режимов, оптического переключения.
Сатурация носителей заряда В метаматериалах на основе полупроводников или графена изменение распределения носителей под действием мощного излучения приводит к изменению проводимости и эффективных параметров среды.
Эффекты плазмонного резонанса Нелинейное поведение в наноструктурах связано с возбуждением локализованных плазмонов, которые усиливают электромагнитное поле вблизи наночастиц. Это приводит к значительному увеличению нелинейных откликов даже при умеренной интенсивности падающего излучения.
Оптическое управление метаматериалами реализуется через введение дополнительного управляющего излучения, изменяющего локальные свойства структуры. В зависимости от конструкции метаматериала и механизма нелинейности выделяют несколько основных схем:
Оптический переключатель При определённой интенсивности управляющего пучка метаматериал изменяет фазу или амплитуду проходящей волны. Это используется для построения логических элементов на фотонах.
Модуляция фазового фронта Благодаря изменению показателя преломления в различных областях структуры появляется возможность динамического управления фронтом волны, что приводит к созданию оптически управляемых метаповерхностей.
Генерация гармоник Нелинейные метаматериалы способны эффективно преобразовывать частоту излучения (вторая, третья гармоника), что делает возможным компактные источники излучения в новых спектральных диапазонах.
Эффекты нелинейного поглощения При высоких интенсивностях проявляется двухфотонное поглощение, что используется для защиты сенсоров от мощных импульсов лазеров (оптическая защита).
Метаматериалы на основе полупроводников Включение квантовых точек, квантовых ям и графеновых слоев позволяет добиться сильных нелинейных эффектов при относительно малых интенсивностях управляющего излучения.
Плазмонные наноструктуры Системы из наночастиц металлов (золото, серебро) демонстрируют значительное усиление локальных полей и позволяют эффективно управлять параметрами структуры при помощи коротких лазерных импульсов.
Диэлектрические наноструктуры Использование материалов с высоким показателем преломления (кремний, германий) обеспечивает нелинейный отклик без сильных потерь, характерных для металлов.