放宽零折射率波导的相位匹配约束

       材料的非线性光学响应是建立频率转换、全光信号处理、分子光谱和非线性显微镜等应用的基础。当光由参数非线性相互作用（例如，谐波产生）产生时，所产生的输出光的传播方向由输入光束的性质决定。这种依赖性是由于动量守恒，也被称为相位匹配。不满足相位匹配条件的数量通过相位失配Δk来量化，即组成光束的动量之差。准相位匹配、双折射相位匹配、高阶模相位匹配等方法已被证明是实现相位匹配的手段。然而，这些方法的缺点是只能对参与波束的一种特定配置进行相位匹配，这种配置通常是沿着传播方向的共线波束，而且只适用于很窄的波长范围。这些限制对非线性光学的潜在应用构成了严重的限制，在非线性光学中，灵活性和紧凑性是非常必要的。

       人们对使用超材料来消除这种限制和探索由此产生的新机制产生了极大的兴趣。超材料在光学材料的工程中提供了极强的灵活性，使许多不寻常和有趣的特性，包括负折射率。具有负折射率的材料已被用来演示非线性信号波与泵浦波传播时产生的二次谐波，称为反向相位匹配。在考虑零指数媒介时，可以进一步探讨这种独特的行为。

       近日，加拿大渥太华大学的Justin R. Gagnon等人使用狄拉克锥超材料来探索这些现象，这种材料通过介电常数和磁导率同时为零来实现有效折射率为零，同时保持有限的阻抗。这些超材料由一对硅基的波纹脊波导组成，其色散轮廓在1600或1620 nm处具有零交叉点。作者演示了光谱不同的共向和反向传播泵浦光束和探测光束的四波混合，非线性信号的后向产生，以及平面外探测光束的激励。这些结果明确地表明，低折射率介质的独特性质放松了传统的相位匹配约束，可用于促进非线性相互作用和非线性器件的小型化，从而增加了低折射率材料已有的特殊性质。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上，并被选为编辑推荐文章。（郑江坡）

       文章链接：10.1103/PhysRevLett.128.203902