南昌大学在非线性光学领域取得重要研究进展

近日，南昌大学信息工程学院成像与视觉表示研究团队在非线性光学领域取得重要研究进展。团队提出基于双重简并准连续域束缚态（Quasi-Bound States in the Continuum, Quasi-BICs）的硅基超表面设计，实现了偏振无关的三次谐波（Third-Harmonic Generation, THG）高效增强。相关成果以“Polarization-Independent Enhancement of Third-Harmonic Generation Empowered by Doubly Degenerate Quasi-Bound States in the Continuum”为题，发表于光学与纳米科技交叉领域国际期刊Nano Letters。

南昌大学信息工程学院为论文第一完成单位，刘婷婷副教授为第一作者，肖书源副研究员为通讯作者。信息工程学院刘且根教授，物理与材料学院于天宝教授对该研究给予了重要支持。研究获国家自然科学基金、江西省自然科学基金及江西省青年科技人才托举项目资助。

THG作为一种重要的非线性光学现象，在光学传感、非线性成像、量子光学等方面具有广泛的应用潜力。实现高效THG的关键在于提升光与物质的非线性相互作用强度，同时满足对高品质因子（Q因子）和强场局域的需求。与传统的金属材料相比，高折射率介质超表面因其低损耗、高非线性系数及高损伤阈值而成为提升非线性效率的理想平台。特别是基于BICs机制的超表面设计，通过打破平面对称性将BICs转化为可激发的准BICs，能够显著增强电磁场局域性并提升Q因子。然而，传统的准BICs大多依赖对称性破缺设计，通常表现出泵浦光偏振敏感性，这在使用非偏振光源或随机偏振光源时会显著降低效率和稳定性。如何实现偏振无关的非线性光学增强成为目前亟待解决的难题。

图片:7A3C0FDB4A1F2EB97D12414BE83_1216B242_37486.png

图1.双重简并准BICs非线性超表面示意图及简并模式分析

针对这一难题，研究团队创新性地通过破坏超表面平移对称性但保留C4v旋转对称性，设计出支持双重简并准BICs的硅基超表面结构。如图1所示，超表面由双原子单元构成，当引入微扰（ΔR = 50 nm）时， BICs退化为准BICs，其双重简并特性使正交偏振入射光均可激发强局域电场，从而突破传统偏振依赖限制。

图片:4CFA225FB3C18BDF340F6EEC6DB_3D52E808_28038.png

图2.非线性THG发射光谱测量

研究团队基于SOI工艺成功制备了设计的超表面样品，并通过反射光谱与非线性光谱测量，证实了理论设计的可行性。如图2所示，在5.85 GW/cm²泵浦强度下，该超表面三次谐波转换效率达1.03×10⁻⁵，较同等厚度硅薄膜的THG信号强度提升约2200倍。尤为关键的是，旋转泵浦光偏振角度（0°至90°）的测试结果显示，THG信号功率保持稳定，验证了其偏振无关特性。该成果为超紧凑、高效率光子频率转换器件的开发提供了新范式，其对称性调控方法可拓展至其他非线性光学效应增强领域。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c00146