近日，南昌大學信息工程學院成像與視覺表示研究團隊在非線性光學領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）的硅基超表面設計，實現了偏振無關的三次諧波（Third-Harmonic Generation, THG）高效增強。相關成果以“Polarization-Independent Enhancement of Third-Harmonic Generation Empowered by Doubly Degenerate Quasi-Bound States in the Continuum”為題，發(fā)表于光學與納米科技交叉領域國際期刊Nano Letters。

南昌大學信息工程學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。信息工程學院劉且根教授，物理與材料學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基金、江西省自然科學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現象，在光學傳感、非線性成像、量子光學等方面具有廣泛的應用潛力。實現高效THG的關鍵在于提升光與物質的非線性相互作用強度，同時滿足對高品質因子（Q因子）和強場局域的需求。與傳統(tǒng)的金屬材料相比，高折射率介質超表面因其低損耗、高非線性系數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機制的超表面設計，通過打破平面對稱性將BICs轉化為可激發(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計，通常表現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。如何實現偏振無關的非線性光學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旋轉對稱性，設計出支持雙重簡并準BICs的硅基超表面結構。如圖1所示，超表面由雙原子單元構成，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。尤為關鍵的是，旋轉泵浦光偏振角度（0°至90°）的測試結果顯示，THG信號功率保持穩(wěn)定，驗證了其偏振無關特性。該成果為超緊湊、高效率光子頻率轉換器件的開發(fā)提供了新范式，其對稱性調控方法可拓展至其他非線性光學效應增強領域。

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