非線性光學(xué)技術(shù)是全光信號(hào)處理、生物醫(yī)學(xué)成像和量子信息等前沿領(lǐng)域的重要技術(shù)，受傳統(tǒng)材料非線性光學(xué)效應(yīng)弱、依賴強(qiáng)激光源和長(zhǎng)相互作用距離等問題限制，難以滿足集成化、低功耗納米光子器件的發(fā)展需求。介電常數(shù)近零（ENZ）材料具有超快、超強(qiáng)的非線性光學(xué)效應(yīng)，有望解決這一難題?；跍?zhǔn)連續(xù)域束縛態(tài)（Q-BIC）的微納結(jié)構(gòu)通過高品質(zhì)因子共振顯著增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用，為調(diào)控非線性光學(xué)效應(yīng)開辟了新途徑。然而，Q-BIC體系存在的窄帶寬特性及其對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的極端敏感性，嚴(yán)重制約其實(shí)際應(yīng)用。如何在微納尺度下突破高品質(zhì)因子與工作帶寬之間的制約關(guān)系，實(shí)現(xiàn)高性能光子器件的設(shè)計(jì)與制備，已成為當(dāng)前光子集成領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題。

針對(duì)上述問題，中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所研究團(tuán)隊(duì)首次提出了準(zhǔn)導(dǎo)模（Q-GM）與ENZ模式強(qiáng)耦合的非局域超表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過引入周期擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)第一布里淵區(qū)折疊，構(gòu)建出角度可調(diào)的高品質(zhì)因子Q-GM，突破傳統(tǒng) Q-BIC的波矢和波長(zhǎng)限制。

該耦合機(jī)制具有如下優(yōu)勢(shì)：Q-GM與ENZ模式之間的強(qiáng)場(chǎng)重疊效應(yīng)產(chǎn)生了260meV的能級(jí)反交叉分裂，顯著增強(qiáng)非線性光學(xué)效應(yīng)；正入射條件下，超表面的非線性折射率系數(shù)達(dá)到In2I=3.8×10-13m2/W，比ENZ薄膜的非線性系數(shù)提升了3個(gè)數(shù)量級(jí)，有效降低片上非線性光子器件功耗；得益于Q-GM在寬波矢的高品質(zhì)因子，實(shí)驗(yàn)測(cè)量超表面非線性系數(shù)隨入射角的增加具有魯棒性，實(shí)現(xiàn)了寬帶可調(diào)的強(qiáng)非線性光學(xué)效應(yīng)。研究成果為開發(fā)具有大角度、多波長(zhǎng)調(diào)控的非線性光子器件提供了新的技術(shù)路線，在集成光子學(xué)、全光信號(hào)處理及生物傳感成像等領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。

近日，相關(guān)研究成果以Enhanced the Tunable Nonlinearity of Epsilon-Near-Zero Nonlocal Metasurface by Quasi-Guided Mode為題，發(fā)表在《激光與光子學(xué)評(píng)論》（Laser & Photonics Reviews）上。

（a）三維結(jié)構(gòu)（b）測(cè)量與仿真的線性透射譜。

（a）無ENZ薄膜的能帶折疊（b）共振透射峰與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系。

正入射時(shí)測(cè)量與仿真的（a）非線性折射率系數(shù)（b）非線性吸收系數(shù)。

斜入射的線性光學(xué)特性（a）不同入射角度下實(shí)驗(yàn)與仿真的線性透射譜；（b）電場(chǎng)分布以及共振透射峰與入射角度的關(guān)系。