Laser & Photonics Reviews | 准导模赋能ENZ超表面实现宽带可调强非线性

解决的问题：传统准束缚态在连续谱（Q-BIC）仅在特定波矢和波长下具备高 Q 因子，且对结构参数高度敏感，难以实现宽波矢范围内的可调非线性，限制了其在非线性光学中的应用。

提出的方法：提出一种基于 ε 近零（ENZ）薄膜上硅盘阵列的非局域超表面，通过布里渊区折叠诱导的准导模（Q-GM）与 ENZ 模式的强耦合，实现宽波矢范围内高 Q 因子的可调非线性。

实现的效果：实验测得该非局域超表面在正入射时非线性折射率系数达3.8×10^-13m^2 W^-1，较 ITO 薄膜提升三个数量级，且在宽入射角度下保持非线性系数的鲁棒性，实现宽带可调强非线性。

创新点：通过 Q-GM 与 ENZ 模式的强耦合，突破传统 Q-BIC 的波矢和波长限制，在宽波矢范围内实现高 Q 因子和局域场增强，赋予超表面角度鲁棒的宽带可调非线性特性。

研究成果以题为 “Enhanced the Tunable Nonlinearity of Epsilon-Near-Zero Nonlocal Metasurface by Quasi-Guided Mode” 发表于《Laser & Photonics Reviews》上。中国科学院西安光学精密机械研究所Wenjuan Shi为论文第一作者，Hongjun Liu为论文通讯作者。

摘要：具有高 Q 因子的准束缚态在连续谱（Q-BIC）为增强 ε 近零（ENZ）超表面的非线性提供了有力途径，但其高 Q 因子仅存在于给定结构的特定波矢和波长，且对结构参数高度敏感。本文提出一种由 ENZ 薄膜上的介电硅盘组成的强非线性非局域超表面，通过布里渊区折叠诱导的准导模（Q-GM）与 ENZ 模式的强耦合，实现宽波矢范围内的波长可调性。所有低于光线的导模通过周期性微扰折叠形成宽波矢高 Q 因子的 Q-GM。得益于 Q-GM 的高 Q 因子及与 ENZ 模式的充分场重叠，实现了局域场增强和 260 meV 的反交叉分裂。实验测得该非局域超表面在正入射时的非线性折射率系数为3.8×10^-13 m^2 W^-1，较氧化铟锡（ITO）薄膜提升三个数量级。此外，由于 Q-GM 在宽波矢范围内的高 Q 因子，实验观察到非线性系数随入射角度增加仍保持鲁棒性，实现了宽带可调强非线性。该非局域超表面为广角和多波长下的非线性增强提供了有前景的平台。

结论：通过非局域超表面中 Q-GM 与 ENZ 模式的强耦合，实现了大的、可调谐的和宽带的非线性。观察到的非线性通过泵浦光照射下 ITO 薄膜中自由电子温度升高引起的介电常数变化进行建模。通过 Z 扫描技术获得的非局域超表面非线性折射率系数为3.8×10^-13 m^2 W^-1，比 ITO 薄膜高三个数量级，这归因于高 Q 因子的 Q-GM 与 ENZ 模式的强耦合和大的局域场增强。此外，由于 Q-GM 在宽带范围内具有高 Q 因子，在 2° 和 5° 入射角下实验测量了非线性，发现强非线性随入射角增加具有高鲁棒性。我们的结果为基于 ENZ 超表面实现可调谐非线性提供了新途径，并可能有益于动态波前整形等非局域超表面的先进应用。重要的是，这种非线性增强概念可用于设计各种可调谐非线性光子功能器件。

图1：结构设计与线性响应。

图2：无ITO薄膜超表面的能带结构与多极分解散射光谱。

图3：含ITO薄膜超表面硅盘半径相关的二维透射光谱。

图4： 硅盘半径相关的Q因子。

图5. 非局域超表面的非线性物理机制。

图6：不同波长（1160nm（菱形）、1200nm（矩形）、1400nm（星形））的 Z 扫描曲线。

图7：不同峰值强度下的Z扫描曲线。

图8： Z扫描技术测得的不同波长非线性折射率n2和非线性吸收β系数。

图9： 非局域超表面不同入射角的透射光谱与Z扫描曲线。

文章信息：

W. Shi, Z. Wang, J. Liu, W. Xu, C. Zhang, C. Zhang, W. Li, K. Gao, H. Liu, Enhanced the Tunable Nonlinearity of Epsilon-Near-Zero Nonlocal Metasurface by Quasi-Guided Mode. Laser Photonics Rev 2025, 2402312.

https://doi.org/10.1002/lpor.202402312