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中國科學(xué)院西安光機(jī)所在超表面光子學(xué)領(lǐng)域取得新進(jìn)展

研發(fā)快訊 2025年07月07日 09:54:30來源:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所 1558
摘要超表面結(jié)構(gòu)中的強(qiáng)非線性光學(xué)效應(yīng)在全光信號處理、生物醫(yī)學(xué)檢測、環(huán)境監(jiān)測以及量子通信等前沿領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。

  【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日,中國科學(xué)院西安光機(jī)所瞬態(tài)光學(xué)研究室非線性光子技術(shù)及應(yīng)用課題組相關(guān)研究成果發(fā)表于Nanoscale Horizons(IF=8.0),論文第一作者為碩士研究生瞿子諫,論文第一完成單位和通訊單位為西安光機(jī)所。
 
  超表面結(jié)構(gòu)中的強(qiáng)非線性光學(xué)效應(yīng)在全光信號處理、生物醫(yī)學(xué)檢測、環(huán)境監(jiān)測以及量子通信等前沿領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。具有高Q因子的準(zhǔn)連續(xù)域束縛態(tài)(Quasi bound state in the continuum,QBIC)因其顯著的局域場增強(qiáng)效應(yīng),是增強(qiáng)非線性光學(xué)效應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)手段。然而,QBIC的Q因子對結(jié)構(gòu)參數(shù)高度敏感,限制了其局域場增強(qiáng)能力,制約了該技術(shù)在非線性光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。如何在超表面結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)更高效的局域場增強(qiáng),已成為超表面非線性光子學(xué)領(lǐng)域面臨的關(guān)鍵科學(xué)問題。
 
  圖 1 (a)(d)垂直對稱和非垂直對稱超表面的示意圖(b)(e)色散關(guān)系(c)(f)正入射時,第一激發(fā)磁偶極模式和混合磁偶極模式的歸一化電場分布
 
  針對上述科學(xué)問題,研究團(tuán)隊提出了一種基于高Q因子和超平坦色散帶的局域場增強(qiáng)方法。該方法通過精確調(diào)控非垂直對稱超表面中的兩個Friedrich-Wintgen BICs,成功實現(xiàn)了具有慢光效應(yīng)的磁偶極QBIC模式,其局域場增強(qiáng)倍數(shù)高達(dá)808倍。
 
  圖2 (a)f=0.53時,混合磁偶極模式的色散關(guān)系和Q因子(b)歸一化反射譜(c)減速因子S和品質(zhì)因子Q隨入射角θ的的變化關(guān)系(d)入射角θ為9°22′時,電場及歸一化強(qiáng)度增強(qiáng)
 
  該磁偶極QBIC模式展現(xiàn)出三大突破性優(yōu)勢
 
  顯著的慢光效應(yīng):該模式的群速度相較于光速降低了3個數(shù)量級,極大地增強(qiáng)了光與物質(zhì)的相互作用,顯著降低了實現(xiàn)強(qiáng)非線性光學(xué)效應(yīng)所需的泵浦功率密度;
 
  穩(wěn)定的高Q因子在保持顯著慢光效應(yīng)的同時,該模式的Q因子達(dá)到217,可有效降低片上光子器件的功耗,并且該模式位于兩個BICs的重疊區(qū)域,具有一定的穩(wěn)定性,使其成為增強(qiáng)非線性效應(yīng)的理想模式;
 
  大模式體積:能夠?qū)崿F(xiàn)納米諧振器內(nèi)的強(qiáng)光限制,仿真結(jié)果表明,在峰值泵浦功率密度為10 MW/cm2的條件下,三次諧波轉(zhuǎn)換效率可達(dá)10-4。
 
  該成果為增強(qiáng)超表面非線性光學(xué)效應(yīng)奠定了重要理論基礎(chǔ),為開發(fā)高性能片上非線性光子器件提供關(guān)鍵技術(shù),在高靈敏度生物傳感、量子光源制備等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的應(yīng)用潛力,有望助力下一代集成光子技術(shù)的突破。

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