近日，中國科學院西安光機所瞬態(tài)光學研究室非線性光子技術及應用課題組在超表面光子學領域取得新進展，相關研究成果發(fā)表于Nanoscale Horizons（IF=8.0），論文第一作者為碩士研究生瞿子諫，論文第一完成單位和通訊單位為西安光機所。
超表面結構中的強非線性光學效應在全光信號處理、生物醫(yī)學檢測、環(huán)境監(jiān)測以及量子通信等前沿領域具有重要應用價值。具有高Q因子的準連續(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，是增強非線性光學效應的關鍵技術手段。然而，QBIC的Q因子對結構參數(shù)高度敏感，限制了其局域場增強能力，制約了該技術在非線性光學領域的應用。如何在超表面結構中實現(xiàn)更高效的局域場增強，已成為超表面非線性光子學領域面臨的關鍵科學問題。
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
針對上述科學問題，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系和Q因子（b）歸一化反射譜（c）減速因子S和品質因子Q隨入射角θ的的變化關系（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：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的相互作用，顯著降低了實現(xiàn)強非線性光學效應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的理想模式；
大模式體積：能夠實現(xiàn)納米諧振器內的強光限制，仿真結果表明，在峰值泵浦功率密度為10 MW/cm2的條件下，三次諧波轉換效率可達10-4。
該成果為增強超表面非線性光學效應奠定了重要理論基礎，為開發(fā)高性能片上非線性光子器件提供關鍵技術，在高靈敏度生物傳感、量子光源制備等領域展現(xiàn)出重要的應用潛力，有望助力下一代集成光子技術的突破。
（瞬態(tài)室?供稿）
