近日，南昌大學(xué)信息工程學(xué)院成像與視覺表示研究團(tuán)隊(duì)在非線性光學(xué)領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)提出基于雙重簡(jiǎn)并準(zhǔn)連續(xù)域束縛態(tài)（Quasi-Bound States in the Continuum, Quasi-BICs）的硅基超表面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了偏振無(wú)關(guān)的三次諧波（Third-Harmonic Generation, THG）高效增強(qiáng)。相關(guān)成果以“Polarization-Independent Enhancement of Third-Harmonic Generation Empowered by Doubly Degenerate Quasi-Bound States in the Continuum”為題，發(fā)表于光學(xué)與納米科技交叉領(lǐng)域國(guó)際期刊Nano Letters。

南昌大學(xué)信息工程學(xué)院為論文第一完成單位，劉婷婷副教授為第一作者，肖書源副研究員為通訊作者。信息工程學(xué)院劉且根教授，物理與材料學(xué)院于天寶教授對(duì)該研究給予了重要支持。研究獲國(guó)家自然科學(xué)基金、江西省自然科學(xué)基金及江西省青年科技人才托舉項(xiàng)目資助。

THG作為一種重要的非線性光學(xué)現(xiàn)象，在光學(xué)傳感、非線性成像、量子光學(xué)等方面具有廣泛的應(yīng)用潛力。實(shí)現(xiàn)高效THG的關(guān)鍵在于提升光與物質(zhì)的非線性相互作用強(qiáng)度，同時(shí)滿足對(duì)高品質(zhì)因子（Q因子）和強(qiáng)場(chǎng)局域的需求。與傳統(tǒng)的金屬材料相比，高折射率介質(zhì)超表面因其低損耗、高非線性系數(shù)及高損傷閾值而成為提升非線性效率的理想平臺(tái)。特別是基于BICs機(jī)制的超表面設(shè)計(jì)，通過打破平面對(duì)稱性將BICs轉(zhuǎn)化為可激發(fā)的準(zhǔn)BICs，能夠顯著增強(qiáng)電磁場(chǎng)局域性并提升Q因子。然而，傳統(tǒng)的準(zhǔn)BICs大多依賴對(duì)稱性破缺設(shè)計(jì)，通常表現(xiàn)出泵浦光偏振敏感性，這在使用非偏振光源或隨機(jī)偏振光源時(shí)會(huì)顯著降低效率和穩(wěn)定性。如何實(shí)現(xiàn)偏振無(wú)關(guān)的非線性光學(xué)增強(qiáng)成為目前亟待解決的難題。

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圖1.雙重簡(jiǎn)并準(zhǔn)BICs非線性超表面示意圖及簡(jiǎn)并模式分析

針對(duì)這一難題，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地通過破壞超表面平移對(duì)稱性但保留C4v旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，設(shè)計(jì)出支持雙重簡(jiǎn)并準(zhǔn)BICs的硅基超表面結(jié)構(gòu)。如圖1所示，超表面由雙原子單元構(gòu)成，當(dāng)引入微擾（ΔR = 50 nm）時(shí)， BICs退化為準(zhǔn)BICs，其雙重簡(jiǎn)并特性使正交偏振入射光均可激發(fā)強(qiáng)局域電場(chǎng)，從而突破傳統(tǒng)偏振依賴限制。

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圖2.非線性THG發(fā)射光譜測(cè)量

研究團(tuán)隊(duì)基于SOI工藝成功制備了設(shè)計(jì)的超表面樣品，并通過反射光譜與非線性光譜測(cè)量，證實(shí)了理論設(shè)計(jì)的可行性。如圖2所示，在5.85 GW/cm²泵浦強(qiáng)度下，該超表面三次諧波轉(zhuǎn)換效率達(dá)1.03×10⁻⁵，較同等厚度硅薄膜的THG信號(hào)強(qiáng)度提升約2200倍。尤為關(guān)鍵的是，旋轉(zhuǎn)泵浦光偏振角度（0°至90°）的測(cè)試結(jié)果顯示，THG信號(hào)功率保持穩(wěn)定，驗(yàn)證了其偏振無(wú)關(guān)特性。該成果為超緊湊、高效率光子頻率轉(zhuǎn)換器件的開發(fā)提供了新范式，其對(duì)稱性調(diào)控方法可拓展至其他非線性光學(xué)效應(yīng)增強(qiáng)領(lǐng)域。

論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c00146