Feature Article | 面向特定应用的非线性超构光学

论文导读

      非线性光学在激光频率转换、超快电光调制和全光调制等诸多领域都有着广泛的应用。然而传统的非线性体晶体为了获得较高的频率转换效率，通常需要借助相对复杂的相位匹配技术。另一方面，非线性材料自吸收往往会限制非线性光学器件的工作带宽。近年来，由亚波长天线或薄膜构造的超构光学结构在非线性光学领域的应用吸引了人们的广泛关注。利用金属或介质超构表面以及介电常数近零光学薄膜等超构光学结构，可在亚波长尺度实现对光场的极大增强，从而增强非线性光与物质相互作用，突破传统非线性光学晶体在特定应用中的局限。清华大学孙洪波教授团队于2021年4月19日在PhotoniX期刊在线最新发表论文“Nonlinear meta-optics towards applications”。本综述论文主要聚焦于超构结构在几类特定非线性光学领域的应用，包括电场诱导的二次谐波产生、纠缠光子对产生、太赫兹产生、超快全光调制和高次谐波产生。作者认为在这些应用中，超构光学结构相比传统非线性光学晶体具有潜在的独特优势。

论文要点

      本文聚焦于超构光学结构在几类特定非线性光学领域的应用，对该方向近年来的代表性工作进行了概述，指出了非线性超构光学在构造新型宽谱量子光源、全光神经网络、宽带太赫兹光源和高通量紫外光源等应用的潜在应用，并对超构光学结构的独特优势进行了总结。相比传统非线性光学晶体，亚波长超构光学结构有望在更宽的光谱范围内实现高效的频率转换，可以具备超快的时间响应，有望实现对谐波波前的灵活调控，并且特别适合被应用于特定的波段，例如紫外以及太赫兹波段。针对亚波长超构光学器件非线性转换效率较低的问题，本文提出了探索应用新型具有高非线性极化率的材料，设计具有高Q值的谐振腔以及优化泵浦光与谐波的模式重合，利用激光加工手段基于特种材料构造新型三维超构光学结构等解决方法。 

主要作者

      孙洪波，清华大学教授，博士生导师，教育部长江学者特聘教授，中国光学学会微纳光学专业委员会主任，国务院学位委员会学科评议组成员。入选电气电子工程师（IEEE）学会Fellow、国际光学工程学会（SPIE）Fellow、美国光学学会（OSA）Fellow，中国光学学会（COS）Fellow；任Light Science &Applications（Nature出版集团，IF~14）杂志执行主编（EEIC）、Optics Letters等十余个国内外杂志编委或顾问编委。研究方向为超快激光超精细特种制造。研究超快激光与物质相互作用机理，制备微光学、微电子、微机械、微流控、微光电、传感、生物和仿生结构与器件；开拓超快光谱研究方法，探索前沿光电和电光转换动力学。系列工作为我国国防与工业紧迫需求提供关键技术与解决方案。围绕上述研究内容，发表SCI论文500余篇，被SCI论文引用20000余次，H因子72；研究结果被Nature、Science和Laser Focus World 等杂志专题介绍100余篇次，150余次做国际会议Plenary、Keynote和Invited报告。

      杨原牧，清华大学副教授，博士生导师。主要从事微纳光学和非线性光学领域的研究工作。近年来发表SCI论文20余篇，其中第一/通讯作者论文包括Nature Photonics两篇、Nature Physics一篇、Nature Communications一篇、Light: Science&Applications一篇等，所发表论文Google Scholar引用总计3000余次。担任中国激光杂志社青年编委。20余次在Photonics West、Physics of Quantum Electronics等国际国内会议做邀请报告。获得了中国仪器仪表学会“金国藩青年学子奖学金”、国家优秀自费留学生奖学金、福布斯中国“30岁以下30人”（科学类）等奖励荣誉。

      赵云，1996年出生于吉林省通化市。于2018年获得吉林大学电子科学与技术专业学士学位。目前于清华大学精仪系攻读博士学位，研究方向为非线性超构表面。

• PhotoniX是中国光学工程学会新办会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编，拥有强大的国际编委和编辑团队。属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。PhotoniX主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

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