利用超薄双曲超材料中的彩虹光捕获产生全色增强二次谐波

       非线性光学研究的是光与材料的相互作用，在激光技术、显微镜、材料科学等领域有着广泛的应用。寻找更有效的非线性材料，如出现二维纳米材料或新的物理机制以增强材料的非线性成为现代光学的一个重要分支。最近的研究显示，超材料和超表面在增强亚波长纳米结构中的非线性光物质相互作用、显著放松相位匹配条件以及开发纳米尺度的多功能非线性光子元件方面具有很大的前景。但目前的基于高质量共振的方法本身存在带宽狭窄的问题，限制了宽带非线性的应用。然而，双曲超材料(HMMs)具有沿不同符号的不同方向支持有效介电常数的极端各向异性，使各种宽带应用成为可能，包括无限腔、增强的自发发射、超透镜、光学吸收、和波前操控等。其物理起源来自于它们奇异的双曲色散，与自由空间的光子相比，其动量非常大，可以支持增强的光物质相互作用，原则上不需要共振。尽管已经做出了许多努力来增强HMMs中的光学非线性，如金属纳米棒阵列和由球形金属/介质多层腔包裹的非线性介质芯，但由于引入共振来满足严格的相位匹配条件，窄谱带宽仍然是不可避免的。

       近日，来自华中科技大学光电子学武汉国家实验室、光电子信息学院的Junhao Li等人反直觉地报告了一个宽带、增强的二次谐波产生，且是在纳米图案双曲超材料中。纳米图案允许直接进入具有大动量的模式，使彩虹光捕获，即宽频率的慢光，从而增强局部场强度以促进非线性光物质相互作用。为了进行概念验证，他们制作了纳米结构的Au/ZnO多层膜，在可见波长范围(400-650 nm)内可以观察到增强的二次谐波产生。在470-650 nm波长范围内，增强系数大于50，泵浦功率仅为8.80 mW时，最大转换效率为1.13×10−6。他们的结果为各种重要技术的宽带超表面非线性器件提供了一种有效和稳健的方法。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

       文章链接：Junhao Li et al. Full-color enhanced second harmonic generation using rainbow trapping in ultrathin hyperbolic metamaterials. Nature Communications (2021) 12:6425  https://doi.org/10.1038/s41467-021-26818-3