清华大学提出一种全新人工光学非线性材料

近日，清华大学材料学院周济教授课题组在《物理评论快报》上发表题为“Artificial Nonlinearity Generated from Electromagnetic Coupling Meta-molecule”的研究成果。该成果基于经典电磁学理论，利用超构材料思想，提出了一种全新的人工光学非线性材料。

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图为（a）非线性超分子阵列结构示意图，（b）单个非线性超分子结构示意图

光学非线性是一种强光与物质相互作用产生的普遍性的物理效应，已在激光技术、光通讯和光信息技术等颠覆性技术领域发挥了至关重要的作用。然而，由于缺乏描述自然非线性过程的清晰物理图像，非线性光学材料的探索长期处于定性或半定量阶段。实现一种可精确预测和精准设计的人工光学非线性材料，成为一个极具挑战且富有前景的课题。

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图为谐振态下非线性超分子的磁场分布

该研究成果中提出的人工材料基于一个巧妙设计的人工超构分子（metamolecule）内部电场和磁场的耦合，打破了材料物理环境的空间对称性，从而实现了人工设计的光学非线性。其非线性完全源于人工超构分子，而无需自然光学非线性材料参与，因此可以通过改变人工结构，对所产生的光学非线性进行精确的设计和调控。同时，该人工非线性理论的物理过程明确且清晰，可应用于非常宽的电磁频谱。相关研究结果表明，通过适当的缩放超构分子结构的几何尺寸，在微波到红外波段均可以产生明显的光学非线性。这一全新的人工理论，使得光学非线性具有了前所未有的设计自由度，将促进新一代光源及光信息技术的快速发展，同时也将促进如非线性光学透镜和非线性全息等新技术的产生和发展。

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图为（a）非线性超分子的透射电场时域谱；（b）透射电场频域谱。嵌入图：两个非耦合的超原子仿真频域透射谱

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