使用高Q值的导波共振和连续体束缚态促进LiNbO3超表面的二次谐波产生

       频率转换是宏观非线性光学中研究最深入的领域之一，因为它的应用范围十分广泛，包括传感、量子光源和非线性成像等领域。近几十年来，高功率激光器和体块非线性晶体已广泛用于非线性光学，以产生强非线性信号。该技术利用相位匹配来最大化非线性转换效率。在过去的几十年里，非线性材料的生长和纳米制造技术的发展使得各种应用成为可能，其中之一就是共振增强的谐波产生。是利用光子纳米结构中建立在光-物质相互作用中的强共振模式来增强非线性效应。金属纳米粒子基于自由电子的集体振荡产生的表面等离子体激元，在过去十年中被深入研究。尤其是高折射率、较大非线性系数和低损耗的全介电纳米粒子被用于构建增强的光学非线性过程。这种纳米颗粒支持米氏共振，可以增强谐波的产生，包括二次谐波(SHG)、三次谐波和四波混频。米氏共振可以在纳米结构内部提供较强的局域场约束，从而提高谐振纳米结构的非线性转换效率。

       近年来，连续介质中的束缚态(BICs)由于能够实现与无限Q因子的共振，从而显著提高非线性转换效率而受到广泛关注。BIC态也可以通过稳定存在于亚波长厚度的平板中形成引导模产生。并且光学实验已经证实在低折射率和高折射率材料中都可以支持具有不同Q因子的BIC状态。此外，还可以很容易地通过调整入射角来激发准BIC态和导模。并且与纳米颗粒相比，平板提供了更大体积的限制光场来增强光物质的相互作用。但是迄今为止，由于基于光学共振效应的深亚波长尺度的强场限制，纳米级的二次谐波产生（SHG）集中于采用高折射率的纳米结构。然而，在结构和周围环境之间具有较低折射率对比度的纳米结构通常表现出较弱的共振效应和较低的场束缚。

        为了解决这个问题，近日，来自英国诺丁汉特伦特大学科技学院工程系高级光学和光子学实验室的Ze Zheng等人通过利用LiNbO3的较大非线性特性，提出了一种在连续介质(BIC)中使用引导共振和束缚态的方法，即同时集合平板和纳米粒子的方法，将LiNbO3磁盘阵列制成的超表面置于LiNbO3薄膜。这样的系统可以将由LiNbO3薄膜支持的导模转换为可以在平面波照明下直接激发的高质量导谐振。此外，他们发现这样的超表面可以通过高Q值横电模式和横磁奇模式之间干扰支持一种Friedrich-Wintgen BIC模式。进一步证明了具有可定制品质因子（Q因子）的LiNbO3薄膜内部的强场束缚。并且这种独特的模式能够在低至0.4 MW/cm2的泵浦强度下实现5%的SHG效率。此外，他们通过显示随晶轴旋转的异常SHG和效率调谐来揭示非线性共振和交叉耦合对SHG的影响。该工作提供了一种基于高Q导模共振和BIC构建增强SHG的途径。相关研究工作发表在《Physical Review B》上。（张晓萌）

       文章链接：Ze Zheng et al. Boosting second-harmonic generation in the LiNbO3 metasurface using high-Q guided resonances and bound states in the continuum. Physical Review B 106, 125411 (2022) DOI: 10.1103/PhysRevB.106.125411