中国科学院西安光机所在超表面光子学领域取得新进展

图 1 (a)(d)垂直对称和非垂直对称超表面的示意图(b)(e)色散关系(c)(f)正入射时，第一激发磁偶极模式和混合磁偶极模式的归一化电场分布

超表面结构中的强非线性光学效应在全光信号处理、生物医学检测、环境监测以及量子通信等前沿领域具有重要应用价值。具有高Q因子的准连续域束缚态(Quasi bound state in the continuum，QBIC)因其显著的局域场增强效应，是增强非线性光学效应的关键技术手段。然而，QBIC的Q因子对结构参数高度敏感，限制了其局域场增强能力，制约了该技术在非线性光学领域的应用。如何在超表面结构中实现更高效的局域场增强，已成为超表面非线性光子学领域面临的关键科学问题。

针对上述科学问题，研究团队提出了一种基于高Q因子和超平坦色散带的局域场增强方法。该方法通过精确调控非垂直对称超表面中的两个Friedrich-Wintgen BICs，成功实现了具有慢光效应的磁偶极QBIC模式，其局域场增强倍数高达808倍。

图2 (a)f=0.53时，混合磁偶极模式的色散关系和Q因子(b)归一化反射谱(c)减速因子S和品质因子Q随入射角θ的的变化关系(d)入射角θ为9°22′时，电场及归一化强度增强

该磁偶极QBIC模式展现出三大突破性优势：

显著的慢光效应：该模式的群速度相较于光速降低了3个数量级，极大地增强了光与物质的相互作用，显著降低了实现强非线性光学效应所需的泵浦功率密度;

稳定的高Q因子：在保持显著慢光效应的同时，该模式的Q因子达到217，可有效降低片上光子器件的功耗，并且该模式位于两个BICs的重叠区域，具有一定的稳定性，使其成为增强非线性效应的理想模式;

大模式体积：能够实现纳米谐振器内的强光限制，仿真结果表明，在峰值泵浦功率密度为10 MW/cm2的条件下，三次谐波转换效率可达10-4。

该成果为增强超表面非线性光学效应奠定了重要理论基础，为开发高性能片上非线性光子器件提供关键技术，在高灵敏度生物传感、量子光源制备等领域展现出重要的应用潜力，有望助力下一代集成光子技术的突破。

审核编辑 黄宇