近日，瞬態(tài)光學與光子技術(shù)國家重點實驗室非線性光子技術(shù)及應用課題組在超表面非線性光子學領域取得重要進展，相關(guān)研究成果發(fā)表于國際著名期刊 Nanoscale Horizons，論文第一作者為 2021 級博士生張淙阜。

中紅外波段(3-5μm)作為大氣窗口，在生物醫(yī)學與環(huán)境監(jiān)測等眾多領域中具有至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的中紅外探測與成像技術(shù)面臨著探測器靈敏度低、體積大等諸多問題。非線性頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)將中紅外信號光轉(zhuǎn)換到近紅外或者可見光波段，可利用體積小、量子效率高的硅基探測器實現(xiàn)高靈敏探測，為中紅外探測與成像提供了新的技術(shù)途徑。眾多研究表明，超表面可以在亞波長的納米結(jié)構(gòu)中增強光與物質(zhì)的相互作用，突破傳統(tǒng)非線性光參量過程的相位匹配限制。然而，現(xiàn)有的超表面通常依賴于窄帶的高品質(zhì)因子共振來實現(xiàn)局域場增強，這為超寬帶非線性頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)的進一步發(fā)展帶來巨大挑戰(zhàn)。

圖(a) 超表面結(jié)構(gòu)單元;(b) 介電常數(shù)曲線;(c, d) 吸收光譜;(e, f) 不同波長下的局域場

圖(a) 3160 nm; (b) 916 nm; (c)710 nm.電場Ez分量的分布;(d, e) 不同信號光與泵浦光產(chǎn)生的上轉(zhuǎn)換光強度;(f) 不同信號光強度下產(chǎn)生的上轉(zhuǎn)換光強度

針對上述問題，課題組提出利用間隙等離子體模式實現(xiàn)模場重疊和寬帶增強的方法，通過設計由三角金字塔形狀的 Au-ZnO 多層結(jié)構(gòu)組成的雙曲超材料(hyperbolic metamaterials, HMMs)，首次在 3-5μm 中紅外波段理論驗證了超寬帶非線性頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)。HMMs多層結(jié)構(gòu)中的間隙等離子體模式在近紅外泵浦光波長下激發(fā)了高階窄帶共振，偶極子與雙曲色散產(chǎn)生的慢光效應則在中紅外波長下實現(xiàn)了超寬帶近場增強。三角形結(jié)構(gòu)的對稱性破缺將這些共振模式局域在結(jié)構(gòu)前列，不僅增強了介質(zhì)材料中的局域場，而且在不同信號光與泵浦光波長下實現(xiàn)模場重疊，顯著增強了非線性頻率轉(zhuǎn)換過程。得益于慢光效應，操縱超表面基本單元的幾何形狀和材料可以調(diào)整上述模式，從而在特定波長上實現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換過程。研究成果為基于超表面的非線性頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展提供新的思路，為新型中紅外光電探測系統(tǒng)的研究提供技術(shù)支撐，在中紅外探測、成像、傳感和通信等領域具有重要的應用價值。

審核編輯 黃宇