超材料让高次谐波的“私人订制”成为可能，清华大学周济团队首提人工产生高次谐波新机制

摘要

近日，清华大学周济院士课题组提出了一种可人工产生高次谐波的超材料。通过超材料的局域磁电强耦合过程，使得固体中低速运动的自由电子激发出非线性汤姆逊散射，进而实现高次谐波的人工产生。这种不借助自然非线性材料产生的高次谐波具有极高的设计自由度，使得人工控制高阶光学非线性成为可能。相关成果以“Artificial Generation of High Harmonics via Nonrelativistic Thomson Scattering in Metamaterial”为题发表在《Research》（Research 2019 DOI: 10.1155/2019/8959285）上。

研究背景

高次谐波产生作为一种高阶非线性光学效应，是人们获取高频、超短脉冲相干光的一个重要手段，可以将激光频率扩展到非常宽的频段，是当前极紫外光学和超快阿秒物理等一系列光学前沿研究的基础。然而，由于目前人们对自然材料中非线性物理过程的认识仍处于探索阶段，而且常用高次谐波产生介质通常为难以控制的气态和等离子体态，这使得谐波的订制设计和精准构筑仍然难以实现。

研究进展

近日，清华大学周济院士课题组提出了一种基于非相对论性汤姆逊散射机制实现人工高次谐波产生的超材料。设计出的超材料结构如图1所示，由一个开口环谐振子和断线谐振子相互嵌套而成。

(a) 阵列

(b) 结构单元

图1 超材料结构示意

在与入射光的耦合作用下，开口环谐振子会在内部产生一个局域增强磁场，使断线谐振子中的自由电子在低速运动条件下也可得到强洛伦兹力，进而激发非线性汤姆逊散射，而通常该机制需要在达到相对论速度的等离子体电子上才能实现。利用这种非相对论速度的非线性汤姆逊散射机制，超材料结构便可有效产生高阶的谐波信号（图2）。

图2 超材料产生的高次谐波频域谱

由于这种高阶非线性完全源于人工超材料内部的磁场和电场耦合，不依赖自然材料，因此可以通过改变结构，对产生的高次谐波实现精确的设计和调控（图3）。而且，通过适当的缩放超材料的几何尺寸，在微波到红外非常宽的频段范围内，均可以产生明显的高次谐波。

(a) 改变开口环谐振子开口尺寸

(b) 改变两个谐振子间距

图3：超材料几何结构变化对各阶次谐波强度影响

未来展望

该工作首次提出了人工产生高次谐波的新机制，为解决高次谐波的按需设计和订制难题提供了一种可行性方案，有望实现高次谐波的实时调控和反馈调谐，并引发平面谐波透镜和谐波全息等新器件的研制。在超快光学、新一代光源技术和光信息技术等领域都具有重要的科学意义和应用前景。同时，打破非线性汤姆逊散射所需要的相对论速度限制，也将极大地促进凝聚态电子输运的研究和先进电动力学的发展。

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