近日，南昌大學(xué)信息工程學(xué)院成像與視覺表示研究團隊在非線性光學(xué)領(lǐng)域取得重要研究進展。團隊提出基于雙重簡并準連續(xù)域束縛態(tài)（Quasi-Bound States in the Continuum, Quasi-BICs）的硅基超表面設(shè)計，實現(xiàn)了偏振無關(guān)的三次諧波（Third-Harmonic Generation, THG）高效增強。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)院于天寶教授對該研究給予了重要支持。研究獲國家自然科學(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度，同時滿足對高品質(zhì)因子（Q因子）和強場局域的需求。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。特別是基于BICs機制的超表面設(shè)計，通過打破平面對稱性將BICs轉(zhuǎn)化為可激發(fā)的準BICs，能夠顯著增強電磁場局域性并提升Q因子。然而，傳統(tǒng)的準BICs大多依賴對稱性破缺設(shè)計，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偏振光源時會顯著降低效率和穩(wěn)定性。如何實現(xiàn)偏振無關(guān)的非線性光學(xué)增強成為目前亟待解決的難題。

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圖1.雙重簡并準BICs非線性超表面示意圖及簡并模式分析

針對這一難題，研究團隊創(chuàng)新性地通過破壞超表面平移對稱性但保留C4v旋轉(zhuǎn)對稱性，設(shè)計出支持雙重簡并準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，當引入微擾（ΔR = 50 nm）時， BICs退化為準BICs，其雙重簡并特性使正交偏振入射光均可激發(fā)強局域電場，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)射光譜測量

研究團隊基于SOI工藝成功制備了設(shè)計的超表面樣品，并通過反射光譜與非線性光譜測量，證實了理論設(shè)計的可行性。如圖2所示，在5.85 GW/cm²泵浦強度下，該超表面三次諧波轉(zhuǎn)換效率達1.03×10⁻⁵，較同等厚度硅薄膜的THG信號強度提升約2200倍。尤為關(guān)鍵的是，旋轉(zhuǎn)泵浦光偏振角度（0°至90°）的測試結(jié)果顯示，THG信號功率保持穩(wěn)定，驗證了其偏振無關(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，其對稱性調(diào)控方法可拓展至其他非線性光學(xué)效應(yīng)增強領(lǐng)域。

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