近日，瞬態光學與光子技術國家重點實驗室非線性光子技術及應用課題組在超表面非線性光子學領域取得重要進展，相關研究成果發表于國際著名期刊 Nanoscale Horizons，論文第一作者為 2021 級博士生張淙阜。

中紅外波段(3-5μm)作為大氣窗口，在生物醫學與環境監測等眾多領域中具有至關重要的作用。傳統的中紅外探測與成像技術面臨著探測器靈敏度低、體積大等諸多問題。非線性頻率上轉換技術將中紅外信號光轉換到近紅外或者可見光波段，可利用體積小、量子效率高的硅基探測器實現高靈敏探測，為中紅外探測與成像提供了新的技術途徑。眾多研究表明，超表面可以在亞波長的納米結構中增強光與物質的相互作用，突破傳統非線性光參量過程的相位匹配限制。然而，現有的超表面通常依賴于窄帶的高品質因子共振來實現局域場增強，這為超寬帶非線性頻率轉換技術的進一步發展帶來巨大挑戰。

圖(a) 超表面結構單元;(b) 介電常數曲線;(c, d) 吸收光譜;(e, f) 不同波長下的局域場

圖(a) 3160 nm; (b) 916 nm; (c)710 nm.電場Ez分量的分布;(d, e) 不同信號光與泵浦光產生的上轉換光強度;(f) 不同信號光強度下產生的上轉換光強度

針對上述問題，課題組提出利用間隙等離子體模式實現模場重疊和寬帶增強的方法，通過設計由三角金字塔形狀的 Au-ZnO 多層結構組成的雙曲超材料(hyperbolic metamaterials, HMMs)，首次在 3-5μm 中紅外波段理論驗證了超寬帶非線性頻率上轉換技術。HMMs多層結構中的間隙等離子體模式在近紅外泵浦光波長下激發了高階窄帶共振，偶極子與雙曲色散產生的慢光效應則在中紅外波長下實現了超寬帶近場增強。三角形結構的對稱性破缺將這些共振模式局域在結構前列，不僅增強了介質材料中的局域場，而且在不同信號光與泵浦光波長下實現模場重疊，顯著增強了非線性頻率轉換過程。得益于慢光效應，操縱超表面基本單元的幾何形狀和材料可以調整上述模式，從而在特定波長上實現頻率轉換過程。研究成果為基于超表面的非線性頻率轉換技術的發展提供新的思路，為新型中紅外光電探測系統的研究提供技術支撐，在中紅外探測、成像、傳感和通信等領域具有重要的應用價值。

審核編輯 黃宇