光學(xué)超構(gòu)表面是一種由亞波長尺度的超構(gòu)單元在面內(nèi)排布而構(gòu)成的準(zhǔn)二維人工結(jié)構(gòu)材料。研究人員可以通過選擇超構(gòu)單元的材料組成、幾何形狀對光的振幅、偏振、相位和頻率等光場自由度進(jìn)行靈活調(diào)控。聚焦于超構(gòu)表面在非線性光場調(diào)控領(lǐng)域的原理與應(yīng)用。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，南方科技大學(xué)工學(xué)院材料科學(xué)與工程系的科研團(tuán)隊在《光學(xué)學(xué)報》期刊上發(fā)表了以“非線性光學(xué)超構(gòu)表面：基礎(chǔ)與應(yīng)用”為主題的文章。該文章第一作者為唐宇濤，通訊作者為李貴新教授，主要從事光學(xué)超構(gòu)表面、非線性光場調(diào)控、納米光學(xué)和幾何相位方面的研究工作。

本文綜述了近年來非線性光學(xué)超構(gòu)表面的研究進(jìn)展。首先，概述了非線性晶體到非線性超構(gòu)表面的發(fā)展歷程。然后，討論了對稱性和幾何相位在非線性光學(xué)超構(gòu)表面中的重要作用。最后，介紹了非線性光學(xué)超構(gòu)表面在波前調(diào)控、量子信息處理和太赫茲波的產(chǎn)生與調(diào)控等領(lǐng)域中的應(yīng)用。

從傳統(tǒng)晶體到非線性光學(xué)超構(gòu)表面

雙折射晶體相位匹配

當(dāng)入射光的電場E很強(qiáng)時，材料對光場的高階非線性響應(yīng)不能被忽略，故會引發(fā)許多奇妙的物理過程，如基于二階非線性光學(xué)響應(yīng)的倍頻（SHG）、和頻（SFG）和差頻（DFG）效應(yīng)，以及基于三階非線性光學(xué)響應(yīng)的三倍頻（THG）和四波混頻（FWM）效應(yīng)等。

一種實現(xiàn)嚴(yán)格相位匹配的方法是利用晶體的雙折射效應(yīng)。在雙折射晶體中，尋常光（o光）和非尋常光（e光）的偏振方向互相垂直且二者折射率不同。在特定角度入射的條件下，o光和e光的折射率差異使得基頻光和非線性光實現(xiàn)嚴(yán)格的相位匹配，從而可以提高非線性轉(zhuǎn)換效率。

準(zhǔn)相位匹配和非線性光子晶體

利用各向異性晶體進(jìn)行嚴(yán)格的相位匹配可以有效地提高非線性光學(xué)轉(zhuǎn)換效率，但有一定的局限性。例如，在某些頻段很難找到合適的雙折射晶體，從而很難實現(xiàn)嚴(yán)格的相位匹配。此時，可以通過在晶體中引入非線性極化率的空間調(diào)制使非線性光場的強(qiáng)度保持單調(diào)增長，這實際上是在空間上對非線性極化率進(jìn)行周期性調(diào)制。

利用非線性極化率在傅里葉空間的倒格矢為非線性過程提供額外的動量補(bǔ)償，達(dá)到動量匹配的效果，這一方法也被稱為準(zhǔn)相位匹配，如圖1（a）所示，其中為泵浦光的頻率，2ω為產(chǎn)生的倍頻光的頻率，kω和k2ω為相應(yīng)的波矢大小，Λ為超晶格結(jié)構(gòu)的周期，Gm為傅里葉空間中的倒格矢大小。

準(zhǔn)相位匹配的最初設(shè)想是通過翻轉(zhuǎn)晶體的晶軸實現(xiàn)的，但這涉及到對晶體進(jìn)行相干長度量級上的切割，故實現(xiàn)起來非常困難。在生長晶體的過程中直接改變晶體晶向的方法為實現(xiàn)準(zhǔn)相位匹配提供了新的思路。20世紀(jì)90年代，人們發(fā)現(xiàn)可以通過加電改變鐵電晶體的鐵電疇朝向來實現(xiàn)非線性極化率的翻轉(zhuǎn)，從而使得準(zhǔn)相位匹配技術(shù)變得方便且可靠。實驗中通常采用的晶體有鉭酸鋰（LiTaO?）晶體、鈮酸鋰（LiNbO?，LN）晶體和磷酸鈦氧鉀（KTiOPO?，KTP）晶體等。

圖1 準(zhǔn)相位匹配技術(shù)和非線性光子晶體

將傳統(tǒng)準(zhǔn)相位匹配技術(shù)中對二階非線性極化率的周期性調(diào)制推廣成準(zhǔn)周期性調(diào)制就可以提供更豐富的動量補(bǔ)償過程。例如，按一維Fibonacci序列調(diào)制的準(zhǔn)周期非線性光學(xué)超晶格可以對倍頻過程和倍頻光與基頻光的和頻過程同時進(jìn)行動量補(bǔ)償，使其均滿足準(zhǔn)相位匹配條件，如圖1（b）所示。因此，通過一塊具有二階非線性極化率的晶體就能同時實現(xiàn)倍頻和三倍頻的產(chǎn)生，且三倍頻的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)23%。材料的本征三階非線性極化率較弱，這種準(zhǔn)周期準(zhǔn)相位匹配方法為高效產(chǎn)生三倍頻提供了一種新的技術(shù)路徑，并且可以推廣至高階非線性過程中。

受準(zhǔn)相位匹配技術(shù)和光子晶體概念的啟發(fā)，Berger于1998年提出了非線性光子晶體（NPC）的概念。通過準(zhǔn)相位匹配技術(shù)實現(xiàn)高效非線性轉(zhuǎn)化的同時，利用光子晶體的禁帶特性等實現(xiàn)對非線性光場的調(diào)控，由此實現(xiàn)頻譜和波前的多重調(diào)控。近來，人們成功制備了可反復(fù)擦寫、最小線寬可達(dá)30 nm的三維非線性光子晶體。相關(guān)技術(shù)有望在非線性波前調(diào)控、非線性全息成像和多維糾纏光源等領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。

非線性光學(xué)超構(gòu)表面

在過去二十幾年間，非線性光學(xué)超構(gòu)材料和非線性光學(xué)超構(gòu)表面領(lǐng)域的研究取得了重要進(jìn)展。20世紀(jì)60年代，Veselago等指出當(dāng)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率均為負(fù)數(shù)時，材料的折射率是負(fù)值，并預(yù)測了一系列新奇的光物理現(xiàn)象。2001年，Shelby等首次從實驗上在微波波段中實現(xiàn)了等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率均小于零的負(fù)折射率材料。此后，通過在亞波長尺度上調(diào)控超構(gòu)材料的和實現(xiàn)了超分辨成像、隱身衣等。超構(gòu)表面作為準(zhǔn)二維的超構(gòu)材料，相對于三維超構(gòu)材料來說具有光學(xué)損耗小、易于制備等優(yōu)點，有利于光學(xué)器件的小型化、集成化。在線性光學(xué)領(lǐng)域，研究人員通過對透射或反射光場的振幅、相位和偏振等自由度進(jìn)行有效調(diào)控，實現(xiàn)了許多基于超構(gòu)表面的微納光學(xué)元件，如波片、平面透鏡等。

與此同時，超構(gòu)表面也是提高非線性光學(xué)轉(zhuǎn)化效率的重要材料體系。例如，Pendry等指出諧振環(huán)開口處的局域共振效應(yīng)可用于實現(xiàn)拉曼信號的增強(qiáng)，如圖2（a）所示。采用具有中心反演對稱破缺的U形超構(gòu)單元并引入局域等離激元共振（LSPR）可提高倍頻光的產(chǎn)生效率，如圖2（b）所示。進(jìn)一步引入納米光腔設(shè)計可使得U形超構(gòu)表面上的倍頻效率提高兩個數(shù)量級以上。設(shè)計具有泵浦光和倍頻光雙共振特性的等離激元超構(gòu)表面也可以提高倍頻光的產(chǎn)生效率，如圖2（c）所示。此外，集體效應(yīng)、晶格共振和無源單元等物理機(jī)制也被廣泛用來提高等離激元超構(gòu)表面的二階非線性轉(zhuǎn)換效率。

圖2 非線性光學(xué)超構(gòu)表面

金屬超構(gòu)單元所具有的局域等離激元共振特性可在其鄰近的非線性材料中產(chǎn)生強(qiáng)局域場，從而提高超構(gòu)表面的非線性轉(zhuǎn)化效率。若在ITO薄膜上制備金屬超構(gòu)單元使入射光的電場在ITO的ENZ波段被局域增強(qiáng)，則ITO薄膜中倍頻光的產(chǎn)生效率會提升幾個數(shù)量級，如圖2（d）所示。此外，圖2（e）所示的金屬-量子阱、圖2（f）所示的金屬-二維材料等復(fù)合體系也可以用于提高倍頻光的轉(zhuǎn)化效率。在可見-近紅外波段中，金屬-量子阱超構(gòu)表面的倍頻光轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到10??。

鑒于等離激元超構(gòu)表面存在損耗高、共振品質(zhì)因子低和損傷閾值低等問題，低損耗、高非線性極化率的介質(zhì)材料［砷化鎵（GaAs）、硅（Si）和鍺（Ge）等］逐漸被用于新型非線性光學(xué)超構(gòu)表面的設(shè)計中。在介質(zhì)超構(gòu)表面上引入Fano共振、圖2（g）所示的連續(xù)譜中的束縛態(tài)（BIC）和電磁誘導(dǎo)透明等具有高品質(zhì)因子的共振模式可以提高倍頻、三倍頻和高次諧波等非線性過程的轉(zhuǎn)換效率。

非線性光學(xué)中的對稱性和幾何相位

對稱性與非線性光學(xué)過程中的選擇定則

晶體的對稱性在非線性光學(xué)中扮演著重要的角色。一方面，晶體的對稱性影響其線性極化率，進(jìn)而決定了晶體的各向異性特性，相關(guān)理論被廣泛應(yīng)用于非線性過程中的相位匹配。另一方面，晶體的對稱性會影響其非線性極化率的張量元。近年來，對稱性選擇的非線性過程被廣泛用于超構(gòu)表面研究領(lǐng)域中。在由各向同性材料組成的超構(gòu)表面中，超構(gòu)單元的對稱性也會影響超構(gòu)材料的非線性光學(xué)響應(yīng)。例如，各向異性的超構(gòu)單元在不同方向上具有不同的線性和非線性極化率。在倍頻產(chǎn)生過程中，研究人員通常使用中心反演對稱破缺的超構(gòu)單元。由U形超構(gòu)單元組成的超構(gòu)表面上的倍頻光輻射呈現(xiàn)出明顯的偏振選擇性。

近年來，手性超構(gòu)材料因具備一些特殊的非線性光學(xué)響應(yīng)而備受關(guān)注。手性光學(xué)材料通常具有旋光性（OA）和圓二向色性（CD）。傳統(tǒng)材料的手性光學(xué)響應(yīng)來源于其組成分子的手性，通常比較微弱。設(shè)計強(qiáng)手性超構(gòu)單元可以實現(xiàn)圓偏振光學(xué)器件和手性分子檢測等功能。在非線性光學(xué)過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)手性超構(gòu)表面上的四波混頻、倍頻和三倍頻信號呈現(xiàn)出極強(qiáng)的CD。如圖3（a）所示，在具有三重和四重旋轉(zhuǎn)對稱性的手性超構(gòu)單元上，引入面內(nèi)的鏡面對稱性破缺可增強(qiáng)倍頻光和三倍頻光的CD，實驗中測得的倍頻光CD和三倍頻光CD分別高達(dá)98%和79%。這種面內(nèi)鏡像對稱破缺一般不影響超構(gòu)單元的線性光學(xué)特性，可以用于制備非線性光學(xué)“防偽水印”，只有通過非線性光學(xué)過程才能讀出加密的圖像，如圖3（b）所示。此外，在懸空的金/氮化硅薄膜上，通過聚焦離子束技術(shù)可以制備三維納米剪紙超構(gòu)表面，這類手性結(jié)構(gòu)對不同圓偏振入射光的吸收有很大差異，實驗中觀測到了很強(qiáng)的倍頻光CD，如圖3（c）所示。將手性等離激元超構(gòu)表面與上轉(zhuǎn)換納米顆粒結(jié)合，利用手性分子對納米顆粒上轉(zhuǎn)換熒光的影響實現(xiàn)了靈敏的異構(gòu)手性分子檢測，如圖3（d）所示。

圖3 手性非線性光學(xué)超構(gòu)表面

除此之外，旋轉(zhuǎn)對稱性也在非線性光學(xué)過程中起著重要的作用。通過設(shè)計制備具有特定旋轉(zhuǎn)對稱性的等離激元超構(gòu)單元，在實驗上驗證了超構(gòu)表面上倍頻、三倍頻、光整流和四波混頻等非線性光學(xué)過程中的對稱性選擇定則。

非線性光學(xué)過程中的幾何相位

靈活的相位調(diào)控是實現(xiàn)對非線性光場進(jìn)行復(fù)雜調(diào)控的基礎(chǔ)。對于U形超構(gòu)單元，通過翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)開口的方向可在其產(chǎn)生的倍頻光場中引入0和π的相位調(diào)控，如圖4（a）所示。這種二元相位的超構(gòu)表面可以有效地對倍頻光場的波前進(jìn)行調(diào)控，實現(xiàn)光束偏折、聚焦等功能。然而，若要對非線性光場進(jìn)行更復(fù)雜的調(diào)控，則需要對非線性光場進(jìn)行0~2π的連續(xù)相位調(diào)控。根據(jù)線性光學(xué)范疇下的幾何相位理論，在圓偏振入射光與各向異性的光學(xué)超構(gòu)單元相互作用后，具有反向圓偏振分量的反射光或透射光會攜帶幾何相位。在偶極子近似條件下，非線性諧波輻射過程中也存在類似的幾何相位，如圖4（b）和圖4（c）所示。對于1~5階諧波產(chǎn)生過程，使用具有不同旋轉(zhuǎn)對稱性的超構(gòu)單元，綜合考慮對稱性選擇定則和非線性幾何相位原理，可以得到諧波級次與幾何相位之間的關(guān)系，如表2所示。其中，“+”表示諧波的圓偏振態(tài)與基頻光相同，“－”表示諧波的圓偏振態(tài)與基頻光相反，“×”表示該過程被對稱性選擇定則禁止。

圖4 非線性光學(xué)幾何相位

表2 諧波產(chǎn)生過程中的幾何相位

非線性光學(xué)超構(gòu)表面的應(yīng)用

基于非線性光學(xué)超構(gòu)表面的波前調(diào)控器件

對每個超構(gòu)單元所產(chǎn)生的非線性光場的相位和振幅進(jìn)行控制可以實現(xiàn)復(fù)雜的波前調(diào)控功能。例如，改變硅超構(gòu)單元的幾何尺寸可以對其所產(chǎn)生的三倍頻光進(jìn)行0~2π的相位調(diào)控，從而實現(xiàn)非線性光束偏轉(zhuǎn)、圖5（a）所示的聚焦渦旋光束產(chǎn)生和全息成像等功能。在砷化鎵超構(gòu)表面上，通過和頻過程可以將紅外入射光參量上轉(zhuǎn)換為可見光并成像，從而實現(xiàn)超薄的紅外光成像器件?；诜蔷€性光學(xué)幾何相位原理，改變具有三重旋轉(zhuǎn)對稱性的等離激元超構(gòu)單元的朝向分布可實現(xiàn)超構(gòu)表面上產(chǎn)生的倍頻光的連續(xù)相位調(diào)控，從而實現(xiàn)聚焦、非線性成像和圖5（b）所示的軌道角動量光束產(chǎn)生等波前調(diào)控功能。

圖5 非線性光學(xué)超構(gòu)表面波前調(diào)控器件

若進(jìn)一步考慮非線性光學(xué)超構(gòu)表面的多極子或偏振響應(yīng)，則可實現(xiàn)多通道信息加密功能。例如，在硅/氮化硅介質(zhì)超構(gòu)表面上，通過設(shè)計超構(gòu)單元的米氏多極子共振響應(yīng)可以控制其產(chǎn)生的前向和背向傳播的三倍頻信號強(qiáng)度，從而該超構(gòu)表面在正向和背向入射的基頻光泵浦下可以輻射出兩幅不同的三倍頻圖像。根據(jù)超構(gòu)單元的偏振響應(yīng)特性，可以設(shè)計對水平和豎直偏振的基頻光響應(yīng)的雙層超構(gòu)表面，最終可實現(xiàn)基于三倍頻過程的偏振復(fù)用全息器件，如圖5（c）所示。實現(xiàn)了頻率-偏振復(fù)用的多通道全息成像器件，如圖5（d）所示。

在左旋圓偏振和右旋圓偏振的基頻光泵浦下，C3等離激元超構(gòu)單元上產(chǎn)生的倍頻光的非線性幾何相位大小相等、方向相反。因此，當(dāng)基頻光為線偏振光時，所產(chǎn)生的倍頻光也是線偏振的，并且其偏振方向由C3超構(gòu)單元的朝向決定。根據(jù)這一原理，可以將灰度圖像隱藏到倍頻光的特定偏振分量中。該圖像在普通可見光照明條件下不可見，只有正確地設(shè)置入射基頻光和產(chǎn)生的倍頻光的線偏振態(tài)后才能解密隱藏的灰度圖像，如圖5（e）所示。此外，利用手性超構(gòu)表面的非線性CD可以實現(xiàn)非線性圖像加密和全息成像。

若將兩個或多個超構(gòu)單元組成一個新的“人工分子”，則可以利用相位型非線性超構(gòu)單元實現(xiàn)對非線性信號的振幅調(diào)制，如圖5（f）所示。將兩個C3超構(gòu)單元上產(chǎn)生的倍頻光進(jìn)行相干疊加可以實現(xiàn)對倍頻光的振幅和相位進(jìn)行獨(dú)立調(diào)控。根據(jù)這一原理，Mao等將兩幅圖像分別儲存于實空間和傅里葉空間中，如圖5（g）所示。2022年，Mao等設(shè)計了包含兩組超構(gòu)單元的四原子超構(gòu)表面，并基于光場疊加原理和全息迭代算法，首次實現(xiàn)了非線性矢量全息成像，如圖5（h）所示。

非線性光學(xué)超構(gòu)表面量子器件

在量子光學(xué)領(lǐng)域中，超構(gòu)表面也展現(xiàn)出了重要的應(yīng)用價值。例如，將超構(gòu)表面與量子點結(jié)合可實現(xiàn)高效率和高亮度的單光子源、圓偏振單光子源和攜帶軌道角動量的單光子源。此外，超構(gòu)表面也可以用來實現(xiàn)光子自旋與軌道角動量的糾纏、光量子態(tài)的重建、圓偏振NOON態(tài)和量子干涉特性的調(diào)控等。

1995年，Kwiat等發(fā)現(xiàn)晶體中的參量下轉(zhuǎn)換過程可產(chǎn)生高亮度的糾纏光子對，該方法已被廣泛應(yīng)用于量子光學(xué)領(lǐng)域的研究中。如圖6（a）所示，Liu等將環(huán)形布拉格諧振腔與量子點結(jié)合，產(chǎn)生了高亮度、不可分辨的偏振糾纏光子對。Ming等基于U形超構(gòu)單元組成的非線性超構(gòu)表面，提出了產(chǎn)生具有軌道角動量的糾纏雙光子方法，如圖6（b）所示。Marino等通過設(shè)計鋁砷化鎵（AlGaAs）納米柱的米氏共振使其同時在基頻光子和下轉(zhuǎn)換光子頻率處共振，實現(xiàn)了高效率的雙光子源，如圖6（c）所示。Santiago-Cruz等在砷化鎵超構(gòu)表面上，利用BIC產(chǎn)生了高品質(zhì)因子的共振模式，并通過自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生了不同頻率的糾纏光子對。如圖6（d）所示。此外，還可以通過將超構(gòu)表面與非線性光學(xué)晶體級聯(lián)的方法產(chǎn)生糾纏光子對。2020年，Li等將10×10的超構(gòu)透鏡陣列與偏硼酸鋇（β-BaB?O?，BBO）晶體結(jié)合，泵浦光經(jīng)由100個超構(gòu)透鏡中的一個或多個聚焦至BBO晶體上，并通過自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程實現(xiàn)了多維雙光子路徑糾纏態(tài)，如圖6（e）所示。Zhang等在鈮酸鋰薄膜上制備了二氧化硅超構(gòu)光柵，有效提高了產(chǎn)生糾纏光子對的效率，如圖6（f）所示。基于非線性光學(xué)超構(gòu)表面對光子對自旋、頻譜和空間等自由度的操控能力，科學(xué)家們還提出了時空量子超構(gòu)表面的概念。這些研究表明，超構(gòu)表面在發(fā)展小型化糾纏量子光源并實現(xiàn)對光子的多自由度光場調(diào)控方面具有重要的應(yīng)用價值。

圖6 非線性光學(xué)超構(gòu)表面與量子信息處理

太赫茲非線性超構(gòu)表面

太赫茲波段的電磁波（0.1~10.0 THz，30 μm~3 mm）位于遠(yuǎn)紅外和微波之間，因其具有的一些獨(dú)特性質(zhì)而引起了科研界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。太赫茲波的光子能量低，故其能夠穿透許多在可見光波段下不透明的材料，在非侵入和非電離式醫(yī)學(xué)成像和診斷方面有著重要的應(yīng)用前景。許多氣體分子、有機(jī)材料和生物材料（蛋白質(zhì)、細(xì)胞和脫氧核糖核酸等）的振動和轉(zhuǎn)動能級間的躍遷通常發(fā)生在太赫茲頻段，這促進(jìn)了太赫茲光譜儀和太赫茲材料表征技術(shù)的發(fā)展。目前，成熟的太赫茲波產(chǎn)生方法主要包括連續(xù)波量子級聯(lián)激光技術(shù)、光電導(dǎo)開關(guān)、自由電子激光裝置和非線性晶體中的光整流效應(yīng)等。這些太赫茲輻射源能產(chǎn)生中等功率的連續(xù)或脈沖太赫茲波。在太赫茲波的光場調(diào)控方面，許多傳統(tǒng)光學(xué)功能元件（偏振片、透鏡和波片等）不再適用。雖然塊狀的塑料材料可用于制作透射式的太赫茲光學(xué)器件，但是材料的強(qiáng)吸收會顯著降低器件的性能。近年來，超構(gòu)表面逐漸被用于實現(xiàn)太赫茲波的偏振轉(zhuǎn)化、相位調(diào)制、渦旋光束產(chǎn)生和可編程操控等功能。

與此同時，非線性光學(xué)超構(gòu)表面也被用于太赫茲波的產(chǎn)生和同時調(diào)控。2014年，Luo等利用金屬U形超構(gòu)單元的二階非線性響應(yīng)，通過光整流過程在等離激元超構(gòu)表面上實現(xiàn)了寬帶的太赫茲波產(chǎn)生，所得太赫茲波的振幅與毫米厚度的碲化鋅（ZnTe）晶體上產(chǎn)生的太赫茲波相當(dāng)。調(diào)控超構(gòu)單元的排列和幾何參數(shù)可以實現(xiàn)對所產(chǎn)生的太赫茲波的空間模式和偏振態(tài)等的調(diào)控。2019年，Keren-Zur等通過翻轉(zhuǎn)U形超構(gòu)單元實現(xiàn)了對所產(chǎn)生的太赫茲波的0、π二元相位調(diào)制。將二元相位非線性太赫茲超構(gòu)單元組成菲涅耳波帶片，在近紅外飛秒激光泵浦下可以將產(chǎn)生的不同頻率的太赫茲波聚焦至不同位置，如圖7（a）所示。近來，非線性幾何相位理論也被用于設(shè)計非線性超構(gòu)表面太赫茲源。基于具有C3旋轉(zhuǎn)對稱性的等離激元超構(gòu)單元，McDonnell等研究了太赫茲波產(chǎn)生的對稱性選擇定則，并實現(xiàn)了對太赫茲波的0~2π的連續(xù)相位調(diào)控，如圖7（b）所示。以該非線性超構(gòu)表面太赫茲源為平臺，科學(xué)家們首次觀察到了太赫茲渦環(huán)脈沖。此外，Lu等利用U形超構(gòu)單元和非線性幾何相位原理實現(xiàn)了梯度相位和螺旋相位超構(gòu)表面太赫茲源，如圖7（c）所示。

圖7 基于非線性超構(gòu)表面的太赫茲輻射源

結(jié)束語

綜述了非線性光學(xué)超構(gòu)表面的基本原理與應(yīng)用領(lǐng)域。首先，回顧了傳統(tǒng)非線性光學(xué)中的相位匹配與準(zhǔn)相位匹配技術(shù)，并介紹了基于鐵電材料的非線性光子晶體的歷史和最新進(jìn)展。然后，基于等離激元與介質(zhì)材料兩種材料體系，討論了非線性超構(gòu)表面的發(fā)展歷程，并總結(jié)了超構(gòu)單元的對稱性和幾何相位原理在調(diào)控超構(gòu)表面上非線性光場的偏振、相位等方面的重要作用。最后，介紹了一系列基于非線性光學(xué)超構(gòu)表面的應(yīng)用，如波前調(diào)控、圖像加密、小型化量子糾纏光源和多功能太赫茲源等。

提高非線性光學(xué)超構(gòu)表面的非線性轉(zhuǎn)換效率是推進(jìn)其實際應(yīng)用的關(guān)鍵。在等離激元超構(gòu)表面上，金屬納米結(jié)構(gòu)在高泵浦功率下容易被歐姆損耗產(chǎn)生的熱效應(yīng)破壞，這阻礙了其轉(zhuǎn)換效率的提升。介質(zhì)超構(gòu)表面具有損耗小、損傷閾值高的優(yōu)點，工作在高泵浦功率下可以顯著提高非線性光學(xué)轉(zhuǎn)換效率。然而，利用介質(zhì)超構(gòu)表面來實現(xiàn)對非線性相位的調(diào)控對納米結(jié)構(gòu)的幾何形狀較為敏感，故加工制備過程具有較高的挑戰(zhàn)性。基于非線性光學(xué)幾何相位原理可以以非常簡單的方式實現(xiàn)對非線性光場的相位調(diào)控，故該原理已在等離激元超構(gòu)表面上取得了廣泛應(yīng)用，并有望推廣至更多材料體系中。將線性超構(gòu)表面與傳統(tǒng)非線性晶體結(jié)合形成的復(fù)合器件能夠兼顧晶體的高非線性轉(zhuǎn)換效率和超構(gòu)表面強(qiáng)大的光場調(diào)控能力，相關(guān)領(lǐng)域的研究值得進(jìn)一步探索。此外，借助新材料選擇（如合成新晶體）或新的物理機(jī)制［如通過外加電場實現(xiàn)基于的電致倍頻］也有望提高倍頻光的產(chǎn)生效率。

審核編輯：劉清