撰稿 | 由課題組供稿

非線性光學（名詞解釋>）描述了光與物質相互作用中入射場與產生的對應場極化的非線性關系，是光學物理最基本的基礎學科分支之一；同時，在激光技術、顯微成像、材料科學、生物成像以及量子光學等方向都有重要的意義。

非線性效應源于激發(fā)場下的電磁場極化的高階項，其響應通常很弱，需要嚴苛的相位匹配或準相位匹配條件以及足夠的長度來增強非線性效應，這導致非線性器件常常體積較大，難以集成。

而超表面（名詞解釋>）可以在亞波長的納米結構中增強光與物質相互作用從而增強非線性，但這些超表面通常依賴于高品質因子的共振來實現(xiàn)場增強，它們在原理上是窄帶的，因而限制了它們在寬帶非線性上的應用。

鑒于此，華中科技大學武漢光電國家研究中心陳林教授課題組聯(lián)合熊偉教授、北京大學張青教授課題組，在雙曲色散超材料寬帶增強二次諧波產生的研究中取得新進展。該工作利用寬度漸變的梯形雙曲色散超材料可在寬頻范圍內實現(xiàn)局域電磁場增強（“彩虹捕獲效應”）的性質，實現(xiàn)了全彩色增強二次諧波產生。

圖1：實現(xiàn)寬帶增強二次諧波產生的雙曲色散超材料結構

該成果以“Full-color enhanced second harmonic generation using rainbow trapping in ultrathin hyperbolic metamaterials”為題發(fā)表在 Nature Communications。

雙曲超材料波導單元，其側壁支持表面波的傳輸，且該表面波模式的群速度在光頻率接近模式截止頻率時接近于0，形成慢光并極大地增強了光場的局域性。而寬度漸變的梯形雙曲色散超材料，其不同寬度對應于不同的截止頻率，可在寬頻范圍內實現(xiàn)局域電磁場增強（“彩虹捕獲”效應）。

圖2：雙曲色散超材料SEM圖片。(a)未加工的金/氧化鋅多層結構側壁橫截面SEM圖片；(b)單柱梯形雙曲色散超材料的SEM圖片；(c)雙柱梯形雙曲色散超材料的SEM圖片

研究團隊構建了基于金/氧化鋅多層結構的超薄梯形雙曲色散超材料，在可見光范圍內（400-650 nm）內實現(xiàn)了增強二次諧波產生，在470-650 nm波長范圍內，基頻電磁場增強因子超過50，并在8.80mW泵浦功率下實現(xiàn)了最大1.13×10??的倍頻轉換效率。這一項研究為寬帶非線性超表面器件提供了一種有效且可靠的實現(xiàn)方法。

圖3：驗證基于雙曲色散超材料寬帶增強二次諧波產生 (a)測試裝置示意圖；(b)雙曲色散超材料寬帶增強二次諧波產生的測試結果

論文信息：

Li, J., Hu, G., Shi, L. et al. Full-color enhanced second harmonic generation using rainbow trapping in ultrathin hyperbolic metamaterials. Nat Commun 12, 6425 (2021)

李君浩博士生、胡光維博士、史麗娜副研究員為第一作者，陳林教授、熊偉教授、張青教授為通信作者，浙江大學何賽靈教授、武漢理工大學官建國教授、華中科技大學王健教授也對該工作有貢獻。

https://doi.org/10.1038/s41467-021-26818-3

轉載 | 兩江科技評論公眾號

本文編輯 | 趙陽

歡迎課題組投稿——新聞稿

轉載/合作/課題組投稿，微信：447882024

帶您每天讀1篇文獻！加入>Light讀書會