西安光機(jī)所在超表面非線性光子學(xué)領(lǐng)域取得新進(jìn)展

近日，西安光機(jī)所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室非線性光子技術(shù)及應(yīng)用課題組在超表面非線性光子學(xué)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表于國(guó)際著名期刊 Nanoscale Horizons，論文第一作者為 2021 級(jí)博士生張淙阜。

中紅外波段（3-5μm）作為大氣窗口，在生物醫(yī)學(xué)與環(huán)境監(jiān)測(cè)等眾多領(lǐng)域中具有至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的中紅外探測(cè)與成像技術(shù)面臨著探測(cè)器靈敏度低、體積大等諸多問(wèn)題。非線性頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)將中紅外信號(hào)光轉(zhuǎn)換到近紅外或者可見(jiàn)光波段，可利用體積小、量子效率高的硅基探測(cè)器實(shí)現(xiàn)高靈敏探測(cè)，為中紅外探測(cè)與成像提供了新的技術(shù)途徑。眾多研究表明，超表面可以在亞波長(zhǎng)的納米結(jié)構(gòu)中增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用，突破傳統(tǒng)非線性光參量過(guò)程的相位匹配限制。然而，現(xiàn)有的超表面通常依賴于窄帶的高品質(zhì)因子共振來(lái)實(shí)現(xiàn)局域場(chǎng)增強(qiáng)，這為超寬帶非線性頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。

圖(a) 超表面結(jié)構(gòu)單元；(b) 介電常數(shù)曲線；(c, d) 吸收光譜；(e, f) 不同波長(zhǎng)下的局域場(chǎng)

圖(a) 3160 nm; (b) 916 nm; (c)710 nm.電場(chǎng)Ez分量的分布；(d, e) 不同信號(hào)光與泵浦光產(chǎn)生的上轉(zhuǎn)換光強(qiáng)度；(f) 不同信號(hào)光強(qiáng)度下產(chǎn)生的上轉(zhuǎn)換光強(qiáng)度

針對(duì)上述問(wèn)題，課題組提出利用間隙等離子體模式實(shí)現(xiàn)模場(chǎng)重疊和寬帶增強(qiáng)的方法，通過(guò)設(shè)計(jì)由三角金字塔形狀的 Au-ZnO 多層結(jié)構(gòu)組成的雙曲超材料(hyperbolic metamaterials, HMMs)，首次在 3-5μm 中紅外波段理論驗(yàn)證了超寬帶非線性頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)。HMMs多層結(jié)構(gòu)中的間隙等離子體模式在近紅外泵浦光波長(zhǎng)下激發(fā)了高階窄帶共振，偶極子與雙曲色散產(chǎn)生的慢光效應(yīng)則在中紅外波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)了超寬帶近場(chǎng)增強(qiáng)。三角形結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性破缺將這些共振模式局域在結(jié)構(gòu)尖端，不僅增強(qiáng)了介質(zhì)材料中的局域場(chǎng)，而且在不同信號(hào)光與泵浦光波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)模場(chǎng)重疊，顯著增強(qiáng)了非線性頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程。得益于慢光效應(yīng)，操縱超表面基本單元的幾何形狀和材料可以調(diào)整上述模式，從而在特定波長(zhǎng)上實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程。研究成果為基于超表面的非線性頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展提供新的思路，為新型中紅外光電探測(cè)系統(tǒng)的研究提供技術(shù)支撐，在中紅外探測(cè)、成像、傳感和通信等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1039/D4NH00240G