西安光机所在超表面非线性光子学领域取得新进展

近日，西安光机所瞬态光学与光子技术国家重点实验室非线性光子技术及应用课题组在超表面非线性光子学领域取得重要进展，相关研究成果发表于国际著名期刊 Nanoscale Horizons，论文第一作者为 2021 级博士生张淙阜。

中红外波段（3-5μm）作为大气窗口，在生物医学与环境监测等众多领域中具有至关重要的作用。传统的中红外探测与成像技术面临着探测器灵敏度低、体积大等诸多问题。非线性频率上转换技术将中红外信号光转换到近红外或者可见光波段，可利用体积小、量子效率高的硅基探测器实现高灵敏探测，为中红外探测与成像提供了新的技术途径。众多研究表明，超表面可以在亚波长的纳米结构中增强光与物质的相互作用，突破传统非线性光参量过程的相位匹配限制。然而，现有的超表面通常依赖于窄带的高品质因子共振来实现局域场增强，这为超宽带非线性频率转换技术的进一步发展带来巨大挑战。

图(a) 超表面结构单元；(b) 介电常数曲线；(c, d) 吸收光谱；(e, f) 不同波长下的局域场

图(a) 3160 nm; (b) 916 nm; (c)710 nm.电场Ez分量的分布；(d, e) 不同信号光与泵浦光产生的上转换光强度；(f) 不同信号光强度下产生的上转换光强度

针对上述问题，课题组提出利用间隙等离子体模式实现模场重叠和宽带增强的方法，通过设计由三角金字塔形状的 Au-ZnO 多层结构组成的双曲超材料(hyperbolic metamaterials, HMMs)，首次在 3-5μm 中红外波段理论验证了超宽带非线性频率上转换技术。HMMs多层结构中的间隙等离子体模式在近红外泵浦光波长下激发了高阶窄带共振，偶极子与双曲色散产生的慢光效应则在中红外波长下实现了超宽带近场增强。三角形结构的对称性破缺将这些共振模式局域在结构尖端，不仅增强了介质材料中的局域场，而且在不同信号光与泵浦光波长下实现模场重叠，显著增强了非线性频率转换过程。得益于慢光效应，操纵超表面基本单元的几何形状和材料可以调整上述模式，从而在特定波长上实现频率转换过程。研究成果为基于超表面的非线性频率转换技术的发展提供新的思路，为新型中红外光电探测系统的研究提供技术支撑，在中红外探测、成像、传感和通信等领域具有重要的应用价值。

相关链接：https://doi.org/10.1039/D4NH00240G