天然和人造水晶可以改变光的光谱颜色，这被称为非线性光学效应。颜色转换用于多种应用，包括用于生物结构和材料检查的非线性显微术、光通信中的LED光源和激光器，以及光子学及其衍生技术(如量子计算)。帕德博恩大学的研究人员现已找到一种方法来改善这一现象背后的物理过程。结果发表在《光：科学与应用》杂志上。
帕德博恩物理学家塞德里克教授说：“这个过程基于晶体原子的非谐波势能，通常会促使光频率精确倍增，这被称为产生‘高次谐波’——类似于乐器弦振动时听到的泛音。”梅尔解释道。
尽管这种效应在许多水晶中自然发生，但通常非常微弱。鉴于此，已经有各种方法来增加效果，例如通过在微观和纳米尺度上组合不同的材料及其结构。近几十年来，帕德博恩大学在这一领域进行了深入而成功的研究。
这项光子学研究的重点之一是超材料，尤其是超表面。这涉及在纳米范围内将结构化元素应用于薄基板，然后与入射光相互作用，例如产生光学共振。持续时间更长、焦点更大的光可以更有效地产生更高次的谐波。
帕德博恩大学的CedrikMeier教授(纳米光子学和纳米材料)、ThomasZentgraf教授(超快纳米光子学)和JensFörstner教授(理论电气工程)领导的跨学科合作是“定制非线性光子学”合作研究的一部分Center/Transregio142开发一种更有效地产生高次谐波的创新方法。通过使用硅制成的微小椭圆柱的特定比例应用，他们可以利用Fano效应——一种特殊的物理机制，多重共振相互加强。
研究人员最初使用数字仿真来确定理想的几何参数，并研究了基础物理学。然后，他们使用最先进的光刻工艺创建了纳米结构，并进行了光学检查。他们能够通过理论和实验证明，这使得三次谐波——即频率是入射光频率三倍的光——比以前已知的结构更有效地产生。