撰稿 | 由課題組供稿

非線性光學(xué)（名詞解釋>）描述了光與物質(zhì)相互作用中入射場(chǎng)與產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)場(chǎng)極化的非線性關(guān)系，是光學(xué)物理最基本的基礎(chǔ)學(xué)科分支之一；同時(shí)，在激光技術(shù)、顯微成像、材料科學(xué)、生物成像以及量子光學(xué)等方向都有重要的意義。

非線性效應(yīng)源于激發(fā)場(chǎng)下的電磁場(chǎng)極化的高階項(xiàng)，其響應(yīng)通常很弱，需要嚴(yán)苛的相位匹配或準(zhǔn)相位匹配條件以及足夠的長(zhǎng)度來(lái)增強(qiáng)非線性效應(yīng)，這導(dǎo)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(zhǎng)的納米結(jié)構(gòu)中增強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用從而增強(qiáng)非線性，但這些超表面通常依賴于高品質(zhì)因子的共振來(lái)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)增強(qiáng)，它們?cè)谠砩鲜钦瓗У?，因而限制了它們?cè)趯拵Х蔷€性上的應(yīng)用。

鑒于此，華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家研究中心陳林教授課題組聯(lián)合熊偉教授、北京大學(xué)張青教授課題組，在雙曲色散超材料寬帶增強(qiáng)二次諧波產(chǎn)生的研究中取得新進(jìn)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(nèi)實(shí)現(xiàn)局域電磁場(chǎng)增強(qiáng)（“彩虹捕獲效應(yīng)”）的性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了全彩色增強(qiáng)二次諧波產(chǎn)生。

圖1：實(shí)現(xiàn)寬帶增強(qiáng)二次諧波產(chǎn)生的雙曲色散超材料結(jié)構(gòu)

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(dǎo)單元，其側(cè)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(shí)接近于0，形成慢光并極大地增強(qiáng)了光場(chǎng)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(duì)應(yīng)于不同的截止頻率，可在寬頻范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)局域電磁場(chǎng)增強(qiáng)（“彩虹捕獲”效應(yīng)）。

圖2：雙曲色散超材料SEM圖片。(a)未加工的金/氧化鋅多層結(jié)構(gòu)側(cè)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(tuán)隊(duì)構(gòu)建了基于金/氧化鋅多層結(jié)構(gòu)的超薄梯形雙曲色散超材料，在可見(jiàn)光范圍內(nèi)（400-650 nm）內(nèi)實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)二次諧波產(chǎn)生，在470-650 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，基頻電磁場(chǎng)增強(qiáng)因子超過(guò)50，并在8.80mW泵浦功率下實(shí)現(xiàn)了最大1.13×10??的倍頻轉(zhuǎn)換效率。這一項(xiàng)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(shí)現(xiàn)方法。

圖3：驗(yàn)證基于雙曲色散超材料寬帶增強(qiáng)二次諧波產(chǎn)生 (a)測(cè)試裝置示意圖；(b)雙曲色散超材料寬帶增強(qiáng)二次諧波產(chǎn)生的測(cè)試結(jié)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(xué)何賽靈教授、武漢理工大學(xué)官建國(guó)教授、華中科技大學(xué)王健教授也對(duì)該工作有貢獻(xiàn)。

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

轉(zhuǎn)載 | 兩江科技評(píng)論公眾號(hào)

本文編輯 | 趙陽(yáng)

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