Uno de los principales objetivos de la óptica es el control de la propagación y el confinamiento de la luz. Históricamente, el progreso en la óptica comenzó con el desarrollo de lentes y espejos voluminosos, luego prismas y rejillas, y así sucesivamente. La mejora de estos dispositivos disminuyó a medida que se acercaba el límite de difracción. La nanofotónica tiene como objetivo manipular las ondas electromagnéticas en una escala inferior a la longitud de onda para ir más allá de este límite. La evolución reciente de las tecnologías de fabricación, las herramientas numéricas y los modelos teóricos abrió el camino a dispositivos novedosos con prestaciones sin precedentes.

Las metasuperficies ópticas son matrices de antenas ópticas, con tamaño y separación de sublongitud de onda. Representan un concepto original de óptica plana sin análogos clásicos. Permiten la máxima miniaturización de los componentes ópticos, así como el habilitador de nuevas funcionalidades que no son posibles hasta la fecha. En las últimas dos décadas, las propiedades ópticas de las metasuperficies se han estudiado intensamente en el régimen lineal, con nanoestructuras dieléctricas metálicas o amorfas.

Recientemente, la óptica plana no lineal ha ganado cada vez más atención, con efectos de conversión de frecuencia observados primero en los puntos calientes asociados a resonancias de plasmones localizados en nanoantenas metálicas y luego en asociación con resonancias multipolares de tipo Mie en nanoestructuras dieléctricas. En esta transición a la nanoescala, el papel de la coincidencia de fase ha sido reemplazado por el de las resonancias de campo cercano que ocurren en nanoestructuras abiertas no hermitianas.

En el nuevo campo de las metasuperficies no lineales, para las que se ha propuesto el nombre de metaóptica no lineal, las implementaciones dieléctricas han proporcionado las mayores eficiencias de generación no lineal:primero con generación de tercer armónico en plataformas amorfas o de silicio sobre aislante, y luego con segundo generación armónica y conversión descendente paramétrica espontánea en materiales no centrosimétricos como semiconductores III-V y niobato de litio. Más recientemente, la comunidad científica también se interesó en la forma del frente de onda de los campos armónicos, que van desde simples meta-rejillas y metal-lentes hasta la generación no lineal de meta-hologramas complejos y haces especiales.

Los autores de este artículo revisan los avances recientes en óptica no lineal con metasuperficies dieléctricas, centrándose en el efecto paradigmático de la generación de segundo armónico. Discuten las plataformas tecnológicas más utilizadas que sustentaron tales avances y analizan diferentes enfoques de control. Su artículo comienza con una introducción sobre el tema de la generación no lineal en resonadores "Mie" de sublongitud de onda, señalando las principales figuras de mérito para una alta eficiencia en sistemas no hermitianos. Luego, revisan los principales enfoques adoptados en los últimos años para controlar o potenciar la generación de armónicos en las metasuperficies. Finalmente, comparan su desempeño con otras tecnologías bien establecidas, ilustran el estado actual del arte y descubren algunos escenarios en los que estos dispositivos pronto podrían ofrecer oportunidades sin precedentes. En su conclusión, surgen dos perspectivas posibles para el dominio rápidamente emergente de las metasuperficies no lineales dieléctricas.

Por un lado, recurrir a nanoantenas acopladas y resonancias colectivas parece la estrategia más sabia para maximizar la generación no lineal. Sin embargo, también las metasuperficies que exhiben los mayores factores de calidad son órdenes de magnitud menos eficientes que las otras plataformas. Este resultado se deriva del hecho de que, hasta la fecha, la mayoría de los estudios que adoptaron este enfoque se centraron en la creación de una sola resonancia de alto Q alrededor de FF. En cambio, se debe esperar que dicha brecha con las otras tecnologías pueda llenarse con un diseño cuidadoso que proporcione un buen equilibrio entre el acoplamiento de espacio libre y los factores de calidad del modo, al tiempo que implementa una condición de doble resonancia y optimiza la integral de superposición no lineal.

Por otro lado, las antenas de bajo Q suponen un auténtico cambio de paradigma respecto tanto a las estructuras guiadas como a los cristales fotónicos. Su eficiencia de generación no lineal actualmente más baja se ve contrarrestada en gran medida por posibilidades intrigantes que van desde la capacidad de ajuste dinámico de la emisión de metaátomos individuales hasta la configuración de pulsos, dispositivos paramétricos de banda ancha, imágenes no lineales, configuración de frente de onda y metaholografía. Su rápido desarrollo está respaldado actualmente por un progreso continuo en la nanofabricación, nuevos materiales no lineales prometedores como los TMDC y métodos analíticos y numéricos para modelar la generación no lineal en cavidades con fugas. La mejora de tales herramientas matemáticas parece especialmente importante para el diseño y la optimización no intuitivos de nanorresonadores altamente multimodo.

Sobre la base de los impresionantes logros de esta nueva rama de la óptica no lineal, es razonable esperar que surja una nueva clase de metadispositivos fotónicos no lineales en los próximos años, para conmutación de alta velocidad, fuentes de fotones entrelazados, generación supercontinua e imágenes no lineales. + Explora más

Potenciando la generación de segundo armónico con monocapa de TMDs