非线性光学超表面的现状与未来

光学的主要目标之一就是控制与约束光的传播。从历史上看，光学的进步始于笨重的透镜和反射镜的发展，然后是棱镜和光栅等。随着衍射极限接近时，这些器件的改进会逐渐停止。纳米光子学的目标是在亚波长尺度上操纵电磁波，从而超越这一极限。制造技术、数值工具和理论模型的最新发展为具有前所未有性能的新器件开辟了道路。

光学超表面是光学天线阵列，具有亚波长尺寸和分离。它们代表了平面光学的原始概念，没有经典的类似物。它们允许光学元件的最终小型化，以及迄今为止不可能实现的新功能的推动者。在过去的二十年中，超表面的光学性质在线性状态下得到了深入研究，具有金属或非晶态介电纳米结构。

近年来，非线性平面光学受到越来越多的关注，频率转换效应首先出现在金属纳米天线中的局域等离子体共振，然后出现在介电纳米结构中的mie型多极共振。在向纳米尺度的转变中，相位匹配的作用已经被出现在开放非厄米纳米结构中的近场共振所取代。

在非线性超表面的新领域中，非线性超光学的名称已被提出，介电实现提供了最高的非线性产生效率：首先在非晶或绝缘体上硅平台中产生三次谐波，然后在非中心对称材料（如III-V半导体和铌酸锂）中产生二次谐波和自发参数下变频。最近，科学界也对谐波场的波前整形产生了兴趣，从简单的元光栅和元透镜到复杂元全息图和特殊光束的非线性生成。

本文作者综述了近年来利用介电超表面的非线性光学技术的研究进展，重点介绍了二次谐波产生的光学效应。他们讨论了支持这些进步的最常用的技术平台，并分析了不同的控制方法。他们的论文首先介绍了亚波长“Mie”谐振器中的非线性生成主题，指出了非埃尔米特系统中高效率的主要优点。然后，他们概述了近年来用于控制或促进超表面谐波产生的主要方法。他们最终将自己的表现与其他成熟的技术进行了比较，说明了当前最先进的技术，并找出了这些设备可能很快提供前所未有的机会的一些场景。在他们的结论中，对于迅速出现的介电非线性超表面领域，出现了两种可能的前景。 

一方面，诉诸耦合纳米天线和集体共振似乎是最大化非线性产生的最明智的策略。然而，表现出最大质量因素的超表面也比其他平台的效率低数量级。这一结果源于迄今为止大多数采用这一方法的研究，集中于围绕FF产生单个高Q共振。相反，我们期望这种与其他技术的差距可以通过精心的设计来填补，在自由空间耦合和模态质量因子之间提供良好的平衡，同时实现双共振条件和优化非线性重叠积分。

另一方面，低Q值天线代表了制导结构和光子晶体范式的真正变化。它们目前较低的非线性生成效率在很大程度上被从单个元原子发射的动态可调性到脉冲整形，宽带参数器件，非线性成像，波前整形和元全息的有趣可能性所抵消。它们的快速发展目前得到了纳米制造的持续进展，新的有前途的非线性材料（如TMDC）以及模拟泄漏腔中非线性生成的分析和数值方法的支持。这种数学工具的改进对于高度多模纳米谐振器的非直观设计和优化似乎尤为重要。

基于非线性光学这一新分支的令人印象深刻的成就，可以合理地预期未来几年将出现一类新的非线性光子元器件，用于高速开关，纠缠光子源，超连续体生成和非线性成像。

原文链接：https://phys.org/news/2022-07-future-nonlinear-optical-metasurfaces.html