Um dos principais objetivos da óptica é o controle da propagação e do confinamento da luz. O progresso na óptica começou historicamente com o desenvolvimento de lentes e espelhos volumosos, depois prismas e grades e assim por diante. A melhoria desses dispositivos diminuiu à medida que o limite de difração foi se aproximando. A nanofotônica visa manipular as ondas eletromagnéticas em escala sub-comprimento de onda para ir além desse limite. A evolução recente das tecnologias de fabricação, ferramentas numéricas e modelos teóricos abriram caminho para novos dispositivos com desempenhos sem precedentes.
Metassuperfícies ópticas são arranjos de antenas ópticas, com tamanho e separação sub-comprimento de onda. Eles representam um conceito original de óptica plana sem análogos clássicos. Eles permitem a miniaturização final de componentes ópticos, bem como a habilitação de novas funcionalidades não possíveis até o momento. Nas últimas duas décadas, as propriedades ópticas de metasuperfícies têm sido intensamente estudadas no regime linear, com nanoestruturas dielétricas metálicas ou amorfas.

Recentemente, a óptica plana não linear tem ganhado cada vez mais atenção, com efeitos de conversão de frequência observados primeiramente nos pontos quentes associados a ressonâncias plasmônicas localizadas em nanoantenas metálicas e depois em associação a ressonâncias multipolares do tipo Mie em nanoestruturas dielétricas. Nesta transição para a nanoescala, o papel da correspondência de fase foi substituído pelo das ressonâncias de campo próximo que ocorrem em nanoestruturas abertas não Hermitianas.

No novo campo de metasuperfícies não lineares, para o qual o nome de meta-óptica não linear foi proposto, as implementações dielétricas forneceram as mais altas eficiências de geração não linear:primeiro com geração de terceiro harmônico em plataformas amorfas ou silício sobre isolante, e depois com segunda geração geração harmônica e conversão descendente paramétrica espontânea em materiais não centrossimétricos como semicondutores III-V e niobato de lítio. Mais recentemente, a comunidade científica também se interessou pela modelagem da frente de onda dos campos harmônicos, desde simples meta-redes e metal-lentes até a geração não linear de meta-hologramas complexos e feixes especiais.

Os autores deste artigo revisam o progresso recente em óptica não linear com metasuperfícies dielétricas, focando no efeito paradigmático da geração de segunda harmônica. Discutem as plataformas tecnológicas mais utilizadas que sustentaram tais avanços e analisam diferentes abordagens de controle. O artigo começa com uma introdução ao tema da geração não linear em ressonadores "Mie" de sub-comprimento de onda, apontando as principais figuras de mérito para uma alta eficiência em sistemas não Hermitianos. Em seguida, eles apresentam as principais abordagens adotadas nos últimos anos para controlar ou aumentar a geração de harmônicos em metasuperfícies. Eles finalmente comparam seus desempenhos com outras tecnologias bem estabelecidas, ilustrando o estado da arte atual e descobrem alguns cenários em que esses dispositivos podem oferecer oportunidades sem precedentes em breve. Em sua conclusão, surgem duas perspectivas possíveis para o domínio emergente de metasuperfícies não lineares dielétricas.

Por um lado, recorrer a nanoantenas acopladas e ressonâncias coletivas parece ser a estratégia mais sábia para maximizar a geração não linear. No entanto, também as metasuperfícies que exibem os maiores fatores de qualidade são ordens de magnitude menos eficientes do que as outras plataformas. Esse resultado decorre do fato de que, até o momento, a maioria dos estudos que adotam essa abordagem se concentra na criação de uma única ressonância de Q alto em torno de FF. Em vez disso, é de se esperar que essa lacuna com as outras tecnologias possa ser preenchida com um design cuidadoso, fornecendo um bom equilíbrio entre o acoplamento de espaço livre e os fatores de qualidade de modo, ao mesmo tempo em que implementa uma condição duplamente ressonante e otimiza a integral de sobreposição não linear.

Por outro lado, as antenas de baixo Q representam uma verdadeira mudança de paradigma em relação às estruturas guiadas e aos cristais fotônicos. Sua eficiência de geração não linear atualmente mais baixa é amplamente contrabalançada por possibilidades intrigantes que vão desde a sintonização dinâmica da emissão de meta-átomo individual, a modelagem de pulso, dispositivos paramétricos de banda larga, imagens não lineares, modelagem de frente de onda e meta-holografia. Seu rápido desenvolvimento é atualmente sustentado por um progresso contínuo em nanofabricação, novos materiais não lineares promissores como TMDCs e métodos analíticos e numéricos para modelar a geração não linear em cavidades com vazamento. A melhoria de tais ferramentas matemáticas parece especialmente importante para projetos não intuitivos e otimização de nanoressonadores altamente multimodo.

Com base nas conquistas impressionantes deste novo ramo da óptica não linear, é razoável esperar que uma nova classe de metadispositivos fotônicos não lineares surja nos próximos anos, para comutação de alta velocidade, fontes de fótons emaranhados, geração supercontínua e imagens não lineares. + Explorar mais

Impulsionando a geração de segundo harmônico com TMDs monocamada