Advanced Photonics | 全介质超构表面中的非线性光学

作者：张学才  刘萱  李贵新

文章链接：Sain B, Meier C, Zentgraf T. Nonlinear optics in all-dielectric nanoantennas and metasurfaces: a review. Advanced Photonics, 1(2): 024002 (2019) 

德国帕德博恩大学的Thomas Zentgraf 教授等学者在Advanced Photonics上发表了关于全介质纳米天线与超构表面中的非线性光学的综述文章，详细介绍了这一领域的最新进展以及未来发展方向。

文章讨论了电磁偶极子和多极子模式在非线性频率转换、超快光学开关等领域中的重要用途。全介质纳米天线和超构表面，作为一个快速发展的领域，有望为非线性光学器件提供一个多功能平台，用以研究非线性频率转换、高次谐波产生、以及非线性光开关等。因此，使用仅由介电材料构成的超表面将有望成为获得更高的非线性转换效率和更低光学损耗的捷径。

文章亦讨论了基于广义惠更斯原理对三次谐波场的非线性相位和波前控制，以及借助非线性贝里相位原理来实现新型非线性光学元件的可能性。此外，综述文章指出可使用传统的互补金属氧化物半导体兼容材料，通过打破局域对称性的方法来实现增强二阶非线性过程。

总之，非线性全电介质、半导体超构表面在开发紧凑高效非线性光学器件方面具有巨大潜力，并可赋予有源微纳光学器件复杂的光学功能。

图1 介质超构单元中的共振模式。 (a) 电偶极子、磁偶极子、电四极子、磁四极子的示意图；(b) 模拟空气中的硅纳米圆盘的分解多极子散射截面；(c) 硅纳米超构单元的扫描电子显微镜照片；(d)-(f) 直径尺寸不同的硅纳米颗粒的暗场光学显微镜照片与扫描电子显微镜照片

BACKGROUND

• 什么是光学超构材料

光学超构材料是由远小于波长的功能单元和它们的空间序构所构成的一类新型材料，其光学特性依赖于结构而并非只是材料本身的化学组成，具有许多天然材料所无法实现的光场调控功能。通过人为设计超构材料的线性光学参数，已经实现了负折射、光学隐身斗篷和平面透镜等新颖奇特的物理现象，极大地丰富了光学和光子学的研究内容。

光学超构材料的非线性光学效率是由超构功能单元的宏观极化率和构成材料在微观尺度下的极化率共同决定的。通过合理设计超构功能单元的材料、几何形状和空间序构可以实现对非线性光场的调控，进一步克服天然材料在这方面的局限。

• 非线性光学超构材料

有关非线性光学特性的超构材料研究，早期主要是基于金属等离激元共振结构的，后来人们对其他不同形状功能单元组成的金属超构材料进行了探讨。近年来低损耗、高折射率介质材料逐渐成为研究的热点，如硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）等材料，它们拥有相对较大的折射率，可承受的抽运强度更高，光损耗较低；而像GaAs等一类由III-V族元素构成的半导体材料，通常具有相对较大的二阶非线性极化系数，这在提高非线性频率转换过程的效率方面非常有优势。

高折射率的介质或半导体超构材料以其损耗低、损伤阈值高的优势在三阶非线性过程中同样崭露头角。典型材料是硅(Si)和锗(Ge)，分别在近红外和可见光波段具有较大的线性折射率和三阶非线性极化率。利用电和磁的米氏共振响应对介质或半导体纳米结构的散射光场分布进行调谐，为实现高次谐波的产生和超快光学开关提供了有效的平台。

End

推荐阅读

首发前沿光学成果，放送新鲜光学活动

如需转载，请直接留言。

商务合作：高先生 13585639202（ 微信手机同号）

免责声明

本文注明来源为其他媒体或网站的文/图等稿件均为转载，如涉及版权等问题，请作者在20个工作日之内来电或来函联系，我们将协调给予处理（按照法规支付稿费或删除）。

最终解释权归《中国激光》杂志社所有。