Photonics Research 2023年第2期封面文章：
微纳光学是当前光学学科发展最活跃的研究之一，而纳米谐振器结构阵列——超构表面，是微纳光学中具有前瞻话题性的研究方向，旨在实现亚波长尺度下对电磁波超越衍射极限的操纵。超构表面在人们的日常生活中变得越来越重要，有望颠覆智能手机摄像头产业，并且赋予激光雷达、3D传感器、AR/VR等设备极具想象力的未来。
超构表面最有趣的应用之一是非线性频率转换，如二次谐波生成：入射光的两个光子倍频（波长减半）转换为单个光子。超构表面可以在极薄的厚度内实现对非线性频率转换过程的增强和控制，其主要取决于两个因素：纳米谐振器的几何结构（纳米谐振器的形状和排列）以及材料。在制造成型后，超构表面的性能仍然可以通过多种方式进行调整，比如添加液晶、施加电压或加热等。然而，这些方法不仅会影响非线性频率转换，而且还会影响线性特性，比如透射率或反射率。目前尚无能够分别独立控制超构表面的线性和非线性响应的方法。
基于铌酸锂材料探索超构表面
为解决上述问题，德国耶拿大学应用物理和固体物理研究所Frank Setzpfandt团队基于铌酸锂材料开展了超构表面设计的探索。研究人员设计了具有周期性反转非线性的铌酸锂超构表面，这种反转可以形成只影响二次谐波的衍射光栅，从而在保持超构表面线性特性不变的同时实现对二次谐波的生成的调控。相关研究成果发表于Photonics Research 2023年第2期。
铌酸锂是一种被广泛应用于集成光学和光子学的电介质材料，因其电光效应而闻名。能够制备纳米尺度铌酸锂微纳结构，并实现对光行为的操纵，是实现高密度集成光电器件的关键所在。此外，铌酸锂还是一种铁电晶体：其正负离子不重合而产生的自发极化方向可被外加电场改变。因而对其施加强电场时，离子在晶格中的位置可以切换，进而导致相关非线性系数符号的改变。
如图1(a)所示，蓝色和红色列表示材料被电场极化的正和负二阶非线性极化率。有趣的是极化超构表面的线性性质(如透射率或反射率)保持不变，而基于二阶非线性极化率的二次谐波响应发生了变化，如图1(b)所示。当用飞秒脉冲激光激励该超构表面时，生成的二次谐波被两个光栅衍射：一个由超构表面几何结构本身形成，另一个由极化引起的非线性区域形成。
研究人员将非线性转换域的大小由0.5 μm改变为2 μm（极化周期从1 μm改变为4 μm），同时保持超构表面的其他几何参数不变，其二次谐波衍射图展示了衍射模式的变化。如图1(c)和(d)所示，前者的极性超构表面与后者的非极性超构表面相比，二次谐波衍射图具有6个附加的衍射级。
Frank Setzpfandt博士表示：“这项研究表明电场极化为设计非线性超构表面增加了自由度。下一步研究可能是对超构表面进行非周期性的极化，调控二次谐波发射，并可应用于非线性全息领域。总之，作为三维超构材料的衍生物，具有亚波长厚度的人工超构表面结构能够在紧凑的平台上灵活操纵光与物质的相互作用，有利于多功能、超紧凑光子器件的研发，对于微纳光子学和集成光子学具有重要意义。”
作者简介
Anna Fedotova
德国耶拿大学
主要研究方向：纳米光子学、非线性超构表面和量子光学
Anna Fedotova，德国耶拿大学固体物理和应用物理研究所的在读博士生。她在俄罗斯罗蒙诺索夫莫斯科国立大学获得学士和硕士学位。她的研究方向主要集中在铌酸锂的非线性超构表面领域。她发表的几篇学术论文是关于由铌酸锂超构表面产生二次谐波和通过自发参数下转换超构表面产生光子对。
Mohammadreza Younesi
德国耶拿大学
主要研究方向：非线性光学、集成光子器件和量子技术
Mohammadreza Younesi，德国耶拿大学固体物理和应用物理研究所的在读博士生。他于2014年获得伊朗德黑兰大学电信与电气工程专业学士学位，并于2017年在德国耶拿大学阿贝光子学院获得硕士学位。自2017年以来，他在德国耶拿大学应用物理研究所开始他的博士生涯。他主要的研究方向为非线性光学、集成光子器件和量子技术，目前从事的研究工作为制备铌酸锂纳米结构，并应用于非线性和电光领域。
Frank Setzpfandt
德国耶拿大学
主要研究方向：基于表面等离子体和超材料的超分辨成像
Frank Setzpfandt，博士，德国耶拿大学量子光学研究小组的负责人。他在耶拿大学获得博士学位。他曾在堪培拉的澳大利亚国立大学担任博士后。他的研究主要集中在非线性频率转换和光子对的产生，量子成像和传感，以及集成量子光学。他目前担任图林根量子光学和传感器创新中心的首席执行官。
李贵新 南方科技大学工学院材料科学与工程系教授
科学编辑 | 德国耶拿大学 Anna Fedotova
编辑 | 木拉提·满苏尔
推荐阅读
中国激光杂志社招聘
工作地点：上海
1. 中/英文刊编辑
组稿、论文评审与期刊出版
2.出版编辑
稿件格式审核、编辑加工、校对
3.后端开发
设计与开发公司平台系统
4.数字编辑
完成期刊论文等资源数字化
简历请发送至
hubing@siom.ac.cn
邮件标题：应聘职位—姓名
End
首发前沿光学成果，放送新鲜光学活动
如需转载，请直接留言。
商务合作：季先生 18018304797
免责声明
本文中所出现的所有图片均为转载，如涉及版权等问题，请作者在20个工作日之内来电或来函联系，我们将协调给予处理（按照法规支付稿费或删除）。
最终解释权归《中国激光》杂志社所有