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加快打造原始創(chuàng)新策源地,，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點，為把我國建設(shè)成為世界科技強國作出新的更大的貢獻(xiàn),。

——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿,、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場,、面向國家重大需求,、面向人民生命健康,，率先實現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展,，率先建成國家創(chuàng)新人才高地,，率先建成國家高水平科技智庫，率先建設(shè)國際一流科研機構(gòu),。

——中國科學(xué)院辦院方針

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超表面非線性光子學(xué)研究取得進(jìn)展

2025-04-27 西安光學(xué)精密機械研究所

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非線性光學(xué)技術(shù)是全光信號處理,、生物醫(yī)學(xué)成像和量子信息等前沿領(lǐng)域的重要技術(shù),，受傳統(tǒng)材料非線性光學(xué)效應(yīng)弱、依賴強激光源和長相互作用距離等問題限制,，難以滿足集成化,、低功耗納米光子器件的發(fā)展需求。介電常數(shù)近零（ENZ）材料具有超快,、超強的非線性光學(xué)效應(yīng),，有望解決這一難題?；跍?zhǔn)連續(xù)域束縛態(tài)（Q-BIC）的微納結(jié)構(gòu)通過高品質(zhì)因子共振顯著增強光與物質(zhì)的相互作用,，為調(diào)控非線性光學(xué)效應(yīng)開辟了新途徑。然而,，Q-BIC體系存在的窄帶寬特性及其對結(jié)構(gòu)參數(shù)的極端敏感性，嚴(yán)重制約其實際應(yīng)用,。如何在微納尺度下突破高品質(zhì)因子與工作帶寬之間的制約關(guān)系,，實現(xiàn)高性能光子器件的設(shè)計與制備，已成為當(dāng)前光子集成領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題,。

針對上述問題,，中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所研究團(tuán)隊首次提出了準(zhǔn)導(dǎo)模（Q-GM）與ENZ模式強耦合的非局域超表面結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過引入周期擾動實現(xiàn)第一布里淵區(qū)折疊,，構(gòu)建出角度可調(diào)的高品質(zhì)因子Q-GM,，突破傳統(tǒng) Q-BIC的波矢和波長限制。

該耦合機制具有如下優(yōu)勢：Q-GM與ENZ模式之間的強場重疊效應(yīng)產(chǎn)生了260meV的能級反交叉分裂,，顯著增強非線性光學(xué)效應(yīng),；正入射條件下，超表面的非線性折射率系數(shù)達(dá)到In₂I=3.8×10^-13m²/W,，比ENZ薄膜的非線性系數(shù)提升了3個數(shù)量級,，有效降低片上非線性光子器件功耗；得益于Q-GM在寬波矢的高品質(zhì)因子,，實驗測量超表面非線性系數(shù)隨入射角的增加具有魯棒性,，實現(xiàn)了寬帶可調(diào)的強非線性光學(xué)效應(yīng)。研究成果為開發(fā)具有大角度,、多波長調(diào)控的非線性光子器件提供了新的技術(shù)路線,，在集成光子學(xué)、全光信號處理及生物傳感成像等領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用潛力,。

近日,，相關(guān)研究成果以Enhanced the Tunable Nonlinearity of Epsilon-Near-Zero Nonlocal Metasurface by Quasi-Guided Mode為題,，發(fā)表在《激光與光子學(xué)評論》（Laser & Photonics Reviews）上。

論文鏈接

（a）三維結(jié)構(gòu)（b）測量與仿真的線性透射譜,。

（a）無ENZ薄膜的能帶折疊（b）共振透射峰與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系,。

正入射時測量與仿真的（a）非線性折射率系數(shù)（b）非線性吸收系數(shù)。

斜入射的線性光學(xué)特性（a）不同入射角度下實驗與仿真的線性透射譜,；（b）電場分布以及共振透射峰與入射角度的關(guān)系,。

非線性光學(xué)技術(shù)是全光信號處理、生物醫(yī)學(xué)成像和量子信息等前沿領(lǐng)域的重要技術(shù),，受傳統(tǒng)材料非線性光學(xué)效應(yīng)弱,、依賴強激光源和長相互作用距離等問題限制，難以滿足集成化,、低功耗納米光子器件的發(fā)展需求,。介電常數(shù)近零（ENZ）材料具有超快、超強的非線性光學(xué)效應(yīng),，有望解決這一難題,。基于準(zhǔn)連續(xù)域束縛態(tài)（Q-BIC）的微納結(jié)構(gòu)通過高品質(zhì)因子共振顯著增強光與物質(zhì)的相互作用,，為調(diào)控非線性光學(xué)效應(yīng)開辟了新途徑,。然而，Q-BIC體系存在的窄帶寬特性及其對結(jié)構(gòu)參數(shù)的極端敏感性,，嚴(yán)重制約其實際應(yīng)用,。如何在微納尺度下突破高品質(zhì)因子與工作帶寬之間的制約關(guān)系，實現(xiàn)高性能光子器件的設(shè)計與制備,，已成為當(dāng)前光子集成領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題,。針對上述問題，中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所研究團(tuán)隊首次提出了準(zhǔn)導(dǎo)模（Q-GM）與ENZ模式強耦合的非局域超表面結(jié)構(gòu)設(shè)計,，通過引入周期擾動實現(xiàn)第一布里淵區(qū)折疊,，構(gòu)建出角度可調(diào)的高品質(zhì)因子Q-GM，突破傳統(tǒng) Q-BIC的波矢和波長限制,。該耦合機制具有如下優(yōu)勢：Q-GM與ENZ模式之間的強場重疊效應(yīng)產(chǎn)生了260meV的能級反交叉分裂,，顯著增強非線性光學(xué)效應(yīng)；正入射條件下,，超表面的非線性折射率系數(shù)達(dá)到In2I=3.8×10-13m2/W,，比ENZ薄膜的非線性系數(shù)提升了3個數(shù)量級，有效降低片上非線性光子器件功耗,；得益于Q-GM在寬波矢的高品質(zhì)因子,，實驗測量超表面非線性系數(shù)隨入射角的增加具有魯棒性，實現(xiàn)了寬帶可調(diào)的強非線性光學(xué)效應(yīng)。研究成果為開發(fā)具有大角度,、多波長調(diào)控的非線性光子器件提供了新的技術(shù)路線,，在集成光子學(xué)、全光信號處理及生物傳感成像等領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用潛力,。近日,，相關(guān)研究成果以Enhanced the Tunable Nonlinearity of Epsilon-Near-Zero Nonlocal Metasurface by Quasi-Guided Mode為題，發(fā)表在《激光與光子學(xué)評論》（Laser & Photonics Reviews）上,。論文鏈接（a）三維結(jié)構(gòu)（b）測量與仿真的線性透射譜,。（a）無ENZ薄膜的能帶折疊（b）共振透射峰與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系。正入射時測量與仿真的（a）非線性折射率系數(shù)（b）非線性吸收系數(shù),。斜入射的線性光學(xué)特性（a）不同入射角度下實驗與仿真的線性透射譜,；（b）電場分布以及共振透射峰與入射角度的關(guān)系。

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