基于全电介质非线性超表面的二次和三次谐波产生的增强和操纵

Opto-Electronic Advances的一篇新出版物;DOI 10.29026/oea.2024.230186，讨论了基于全电介质非线性超表面的二次和三次谐波产生的增强和操纵。

非线性光学是光学的一个分支，主要研究介质的光学响应与入射光与光学介质相互作用时产生的复杂非线性关系。目前非线性光学已成功应用于激光调制、光信号处理、医学成像等多个领域。近年来，由于频率转换过程中相位匹配条件等考虑以及纳米加工技术的进步，超表面已成为研究和实现新型非线性光学功能的重要平台。一般而言，光学超表面是在基本光学元件的亚波长尺度上进行周期性排列的超薄人工表面。通过精确设计周期晶胞，超表面能够以前所未有的方式操控光波的强度、偏振和相位。在非线性光学中，超表面也发挥着重要作用，因为它具有对光与物质相互作用强度的强大控制、对非线性光信号的相位和偏振的灵活调制、在几何和材料组成方面具有高度的设计灵活性，以及​​无缝集成到紧凑光学设备的潜力。

最近有研究表明，基于导模谐振的光学谐振全电介质超表面可以实现高品质(Q)因数谐振效应，并可在传感和谐波产生等应用中成为有效的光学元件。然而，与光子晶体平板波导的导模情况不同，导模谐振可以耦合到辐射连续体，从而使光能损失到自由空间中。此外，最近揭示的物理机制，即连续体中的束缚态，为实现光与物质之间的强耦合提供了一种新方法。一般来说，连续体中的束缚态具有无限大的辐射Q因数。由于表面粗糙度、材料损失、制造缺陷和其他扰动，实际设备中连续体中的束缚态表现为具有有限Q因数的高Q谐振。重要的是，BIC 的Q因子对超原子几何不对称性的依赖性使得设计支持高Q共振的超表面具有灵活性，并可以有效控制宽光谱范围内光与物质相互作用的强度。在这些想法的推动下，BIC 不仅在线性光学应用(包括涡旋光束生成和光导光子设备)中得到了深入研究，而且还与大量非线性光学效应(例如巨谐波生成和自作用效应)有关。

如前所述，超表面为非线性光学研究提供了一个有希望的平台。然而，大多数提出的非线性超表面只关注单一的频率转换过程，缺乏有效的方法来控制和调整非线性光学相互作用的强度。另一方面，实现局部场增强的物理机制也是实现有效频率转换的关键因素。近年来的研究表明，增强谐波的产生是由高Q共振促进的，这可以通过连续体中的束缚态实现，但很少有研究在同一光学器件中研究连续体中的导模共振和束缚态，并对线性和非线性范围内的不同光学过程进行深入分析。

在本文中，作者报道了一种全电介质非线性超表面，它可大幅增强二阶和三阶非线性光学响应，这是由导模共振和连续体中的束缚态引起的。具体来说，作者利用光导模共振和连续体中的束缚态的丰富物理特性来产生高Q共振光谱特征。为此，通过破坏由中心对称非晶硅组成的超表面的结构对称性，连续体中的束缚态转变为连续体中的准束缚态，从而允许这些共振态与辐射连续体之间的耦合。在这些条件下，由于基频共振的存在而引起的高强度光与物质相互作用导致第二和第三谐波的非线性光学偏振增强，从而产生从非晶硅谐振器发射的增强的第二和第三谐波光束。图 1 是设计的非线性超表面的示意图。

本文利用理论技术、数值模拟和实验测量全面研究了所提出的非线性超表面。在数值计算中，对二次谐波产生的定量分析同时考虑了表面和体效应，而非线性光束则假设在硅元件体中产生。接下来，观察了由基频连续体中的导模共振和束缚态引起的高Q因子光学共振，并测量了二次谐波产生的增强约 550 倍，三次谐波强度增强近 5000 倍。数值分析的预测和实验测量之间有很好的一致性。为了说明这一点，图 2 展示了二阶非线性光学响应的​​实验和模拟结果，而图 3 展示了三阶非线性光学响应的​​实验和模拟结果。

为了更深入地了解所研究的非线性光学过程的物理原理，进一步从数值上研究了高次谐波发射光与超表面结构不对称性之间的关系。这些研究表明，由线性共振产生的谐波信号高度依赖于超原子的不对称性。

这项工作提出了一种有效的方法来增强和控制全电介质超表面中不同阶谐波的产生，这可能会影响一系列学科，包括非线性光学、光子学、量子光学、光学成像和传感。

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