近日，中科院西安光機所瞬態(tài)光學研究室非線性光子技術及應用課題組在超表面非線性光子學領域取得重要進展，相關研究成果發(fā)表于中國科學院分區(qū)一區(qū)Top期刊Laser & Photonics Reviews（IF=9.8），論文第一作者為2020級博士生石文娟，論文第一完成單位和通訊單位為西安光機所。

非線性光學技術是全光信號處理、生物醫(yī)學成像和量子信息等前沿領域的重要技術，受傳統(tǒng)材料非線性光學效應弱、依賴強激光源和長相互作用距離等問題限制，難以滿足集成化、低功耗納米光子器件的發(fā)展需求。介電常數近零（Epsilon-near-zero，ENZ）材料具有超快、超強的非線性光學效應，有望解決這一難題。基于準連續(xù)域束縛態(tài)（Quasi bound states in the continuum，Q-BIC）的微納結構通過高品質因子共振顯著增強光與物質的相互作用，為調控非線性光學效應開辟了新途徑。然而，Q-BIC體系存在的窄帶寬特性及其對結構參數的極端敏感性，嚴重制約其實際應用。如何在微納尺度下突破高品質因子與工作帶寬之間的制約關系，實現(xiàn)高性能光子器件的設計與制備，已成為當前光子集成領域亟待解決的關鍵科學問題。

針對上述問題，研究團隊首次提出了準導模（Quasi guide mode，Q-GM）與ENZ模式強耦合的非局域超表面結構設計，通過引入周期擾動實現(xiàn)第一布里淵區(qū)折疊，成功構建出角度可調的高品質因子Q-GM，突破傳統(tǒng) Q-BIC的波矢和波長限制。

圖1.（a）三維結構（b）測量與仿真的線性透射譜

圖2.（a）無ENZ薄膜的能帶折疊（b）共振透射峰與結構參數的關系

圖3.正入射時測量與仿真的（a）非線性折射率系數（b）非線性吸收系數

圖4.斜入射的線性光學特性（a）不同入射角度下實驗與仿真的線性透射譜；（b）電場分布以及共振透射峰與入射角度的關系

該耦合機制具有三大突破性優(yōu)勢：Q-GM與ENZ模式之間的強場重疊效應產生了260meV的能級反交叉分裂，顯著增強非線性光學效應；正入射條件下，超表面的非線性折射率系數達到In2I=3.8×10-13m2/W，比ENZ薄膜的非線性系數提升了3個數量級，有效降低片上非線性光子器件功耗；得益于Q-GM在寬波矢的高品質因子，實驗測量超表面非線性系數隨入射角的增加具有魯棒性，實現(xiàn)了寬帶可調的強非線性光學效應。

研究成果為開發(fā)具有大角度、多波長調控的非線性光子器件提供了全新的技術路線，在集成光子學、全光信號處理及生物傳感成像等領域展現(xiàn)出重要的應用潛力。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/lpor.202402312