Topological phase controlled nonlinear optical processes at metasurfaces

• Applicant: Professor Dr. Thomas Zentgraf
• Subject Area: Experimental Condensed Matter Physics
• Term: from 2015 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 271596654

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Die Durchführung des Projektes war sehr erfolgreich. Wichtige Erkenntnisse im Bereich der Nichtlinearitäten bei plasmonischen Nanostrukturen und Metaoberflächen konnten gesammelt werden. Hierzu zählt auch die extreme nichtlineare optische Aktivität von planaren plasmonischen Strukturen, die ausschließlich durch den nichtlinearen Prozess erzeugt wird und im linear-optischen nicht beobachtet werden kann. Zudem wurden wichtige Erkenntnisse im Bereich der Phasenmanipulation bei nichtlinearen Prozessen gewonnen. So konnte unter anderem ein nichtlineares Hologramm basierend auf der Anordnung von Nanostrukturen realisiert werden. Durch geeignete Wahl des zirkularen Polarisationszustandes konnten verschiedene holografische Bilder in einer Metaoberfläche gespeichert und rekonstruiert werden. Hieraus ergeben sich mögliche Anwendungen bei der nichtlinearen Holografie, insbesondere beim Multiplexing von Informationen oder für neue Sicherheitsmerkmale. Überraschend war unter anderem, dass sich nichtlineare Phasen sehr robust mit unterschiedlichen Geometrien bei den Nanostrukturen einstellen ließen. Zudem hat sich gezeigt, dass die Verstärkung des Signals in der Zukunft mehr Berücksichtigung finden muss. Zwar kann aufgrund der optischen Aktivität im nichtlinearen auf hohe Kontraste zwischen den verschiedenen Polarisationen zurückgegriffen werden, trotzdem sind die Signale für die Messung noch zu schwach für kommerzielle Anwendungen. Das Projekt lieferte zudem einige neue Ansätze für weitere Forschungsprojekte im Bereich der nichtlinearen Holografie, die zu einer neuen internationalen Kollaboration mit Prof. Huang am BIT in Peking geführt haben.

Publications

• Giant Nonlinear Optical Activity of Achiral Origin in Planar Metasurfaces with Quadratic and Cubic Nonlinearities. Advanced Materials 28, 2992-2999 (2016)
  S. Chen, F. Zeuner, M. Weismann, B. Reineke, G. Li, V. K. Valev, K. W. Cheah, N. C. Panoiu, T. Zentgraf, and S. Zhang
  
• Spin and wavelength multiplexed nonlinear metasurface holography. Nature Communications 7, 11930 (2016)
  W. Ye, F. Zeuner, X. Li, B. Reineke, S. He, C.-W. Qiu, J. Liu, Y. Wang, S. Zhang, and T. Zentgraf
  
• Manipulation of Vector Beam Polarization with Geometric Metasurfaces. Optics Express 25, 14300-14307 (2017)
  Q. Guo, C. Schlickriede, D. Wang, H. Liu, Y. Xiang, T. Zentgraf, and S. Zhang
  
• Rotational Doppler shift induced by spin-orbit coupling of light at spinning metasurfaces. Optica 4, 1000-1005 (2017)
  P. Georgi, C. Schlickriede, G. Li, S. Zhang, and T. Zentgraf
  
• Volumetric Generation of Optical Vortices with Metasurfaces. ACS Photonics 4, 338-346 (2017)
  L. Huang, X. Song, B. Reineke, T. Li, X. Li, J. Liu, S. Zhang, Y. Wang, and T. Zentgraf
  
• Imaging through nonlinear metalens using second harmonic generation. Advanced Materials 1703843 (2018)
  C. Schlickriede, N. Waterman, B. Reineke, P. Georgi, G. Li, S. Zhang, and T. Zentgraf