Modeling and design of plasmonic and dielectric metastructures for nonlinear nanophotonics

This PhD thesis dissertation reports on the design and modeling of optical components made of resonant nanostructures and their assemblies, especially in ultra-thin configuration, i.e. metasurfaces, for advanced optical functionalities. The approach is based on full-wave electromagnetic simulations, and semi-analytical modeling of the carrier dynamics in the active material, allowing for description of the time varying response in the investigated systems. Our modeling accurately retrieves the experimental results for both plasmonic and dielectric based platforms, defining a universal methodology for the design of novel optical devices based on resonant nanostructures. The presented linear and nonlinear metastructures find applications in various fields. In particular, we first present the characterization of linear metasurfaces, based on metals or transition metal dichalcogenides, for tunable giant optical dichroism and polarization sensitive broadband color routing. Then, we discuss the heat release properties of plasmonic nanoassemblies, aimed at either targeted thermal therapy or efficient drug release. Lastly, we present nonlinear dielectric metasurfaces optimized for efficient spontaneous parametric down conversion, all-optical switching of Mie resonances, and all-optical modulation of second harmonic generation. Our results offer a deeper understanding of the physical phenomena governing over the optical response of linear and nonlinear metastructures. Moreover, we demonstrate the improvements brought forth by numerical design and analytical modeling of the optical response of nonlinear metastructures to fully exploit the potential that these novel components offer in the fields of optics and nanophotonics.

Questa tesi di dottorato riporta la modellizzazione ed il design di componenti ottici costituiti da nanostrutture singole e i loro insiemi, soprattutto in configurazioni ultrasottili, i.e. metasuperfici, per funzionalità ottiche avanzate. L’approccio è basato su simulazioni elettromagnetiche, e modellizzazione semi-analitica della dinamica dei portatori nel materiale attivo, permettendo una descrizione della risposta ottica del sistema in analisi. La nostra modellizzazione restituisce fedelmente i risultati sperimentali sia per piattaforme plasmoniche che dielettriche, definendo una metodologia universale per il design di strumenti ottici innovativi basati su nanostrutture risonanti. Le metastrutture lineari e non lineari presentate in questo lavoro trovano applicazione in diversi campi. In particolare, presentiamo la caratterizzazione di metasuperfici lineari, basate su metalli o dicalcogenuri dei metalli di transizione, per un dicroismo ottico gigante ed accordabile, oppure per instradamento del colore, su una larga banda, sensibile alla polarizzazione. Dopodiché, discutiamo le proprietà di rilascio di calore di nanoaggregati plasmonici, per terapia termica mirata o rilascio efficiente di farmaci. Infine, presentiamo metasuperfici dielettriche non lineari ottimizzate per conversione parametrica spontanea, controllo ottico di risonanze di Mie, e modulazione ottica di generazione di seconda armonica. I nostri risultati offrono una profonda conoscenza dei fenomeni fisici che governano la risposta ottica di metastrutture lineari e non lineari. Inoltre, dimostriamo i vantaggi offerti dal design numerico e dalla modellizzazione analitica della risposta ottica di metastrutture non lineari per poter sfruttare al meglio il potenziale che questi innovativi componenti offrono nel campo dell’ottica e della nanofotonica.