中国科学院在超表面非线性光子学领域研究取得进展

非线性光学技术在全光信号处理、生物医学成像和量子信息等前沿领域具有重要应用，但传统材料的非线性光学效应弱、需要强激光源和长相互作用距离，限制了其在集成化、低功耗纳米光子器件中的应用。介电常数近零（enz）材料由于其超快、超强的非线性光学效应，提供了解决方案。基于准连续域束缚态（q-bic）的微纳结构通过高品质因子共振显著增强光与物质的相互作用，为调控非线性光学效应开辟了新途径。然而，q-bic体系的窄带宽特性及其对结构参数的极端敏感性，严重制约了其实际应用。如何在微纳尺度下突破高品质因子与工作带宽之间的制约关系，实现高性能光子器件的设计与制备，已成为光子集成领域亟待解决的关键问题。

针对上述问题，中国科学院西安光学精密机械研究所的研究团队首次提出了准导模（Q-GM）与ENZ模式强耦合的非局域超表面结构设计，通过引入周期扰动实现第一布里渊区折叠，构建出角度可调的高品质因子Q-GM，突破了传统Q-BIC的波矢和波长限制。

该耦合机制具有以下优势：Q-GM与ENZ模式之间的强场重叠效应产生了260meV的能级反交叉分裂，显著增强了非线性光学效应；在正入射条件下，超表面的非线性折射率系数达到In2I=3.8×10-13m2/W，比ENZ薄膜的非线性系数提升了3个数量级，有效降低了片上非线性光子器件的功耗；得益于Q-GM在宽波矢的高品质因子，实验测量超表面非线性系数随入射角的增加具有鲁棒性，实现了宽带可调的强非线性光学效应。研究成果为开发具有大角度、多波长调控的非线性光子器件提供了新的技术路线，在集成光子学、全光信号处理及生物传感成像等领域展现出应用潜力。

近日，相关研究成果以Enhanced the Tunable Nonlinearity of Epsilon-Near-Zero Nonlocal Metasurface by Quasi-Guided Mode为题，发表在《激光与光子学评论》（Laser & Photonics Reviews）上。

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（a）三维结构（b）测量与仿真的线性透射谱。

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（a）无ENZ薄膜的能带折叠（b）共振透射峰与结构参数的关系。

正入射时测量与仿真的（a）非线性折射率系数（b）非线性吸收系数。

斜入射的线性光学特性（a）不同入射角度下实验与仿真的线性透射谱；（b）电场分布以及共振透射峰与入射角度的关系。

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