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

超表面結(jié)構(gòu)中的強非線性光學(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效應(yīng)，是增強非線性光學(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，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。

針對上述科學(xué)問題，研究團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，其局域場增強倍數(shù)高達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，電場及歸一化強度增強

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，極大地增強了光與物質(zhì)的相互作用，顯著降低了實現(xiàn)強非線性光學(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10-4。

該成果為增強超表面非線性光學(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。

審核編輯 黃宇