韩张华/蔡阳健等Newton: 全新通用高Q光子平带共振设计方案，助力增强非线性三次谐波产生 | Cell Press对话科学家

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2025-04-03 12:00发布于北京CellPress细胞科学官方账号

物质科学

Physical science

2025年3月28日，山东师范大学韩张华教授、蔡阳健教授联合华东师范大学黄陆军教授和美国纽约市立大学Andrea Alù教授等研究团队，在Cell Press细胞出版社旗下期刊Newton上发表了一篇题为“High-Q photonic flat-band resonances for enhancing third-harmonic generation in all-dielectric metasurfaces”的研究论文。该工作提出了一种实现高Q光子平带共振的通用设计方案，并在具有扰动光子晶格的硅基超构表面中利用大波矢范围内的高Q光子平带共振，实现了三次谐波（THG）的显著增强。四川大学王卫教授及王柯人同学也为该工作做出了重要贡献。

文章亮点

提出一种通用的高Q光子平带共振设计方案，适用于厄米系统和非厄米系统
该设计方案能够在宽入射角度范围内实现稳健的高Q特性。
经过进一步优化，平带能够被扩展至-50°至50°的广角范围。
与无图案的硅薄膜相比，实验上实现了近10,000倍的三次谐波（THG）增强。

研究背景

非局域超表面中的高Q共振模式（例如准连续域束缚态-QBIC和准导模-QGM），近年来已被广泛应用于增强光与物质相互作用。然而，这些共振模式在Γ点附近的陡峭色散特性使其共振频率会随着入射角的增加而发生显著偏移。这意味着，当使用透镜等光学元件将窄带的泵浦激光聚焦以实现高功率密度时，聚焦光束与相关模式的耦合效率会变得非常低。平带共振模式为应对这一挑战提供了理想的解决方案，因为在这种系统中包含不同傅里叶分量的窄带聚焦光束仍然能够与不同动量但频率统一的高Q共振耦合，从而显著提升光与物质相互作用效果。在光子系统中，van Hove奇点通过支持局域平带结构，使得大量光子态在特定频率处聚集，从而显著提高了该频率处的光子态密度。然而，它们通常覆盖波矢范围较窄，这限制了其与紧聚焦自由空间辐射的有效耦合。此外，虽然具有Moiré晶格的光子结构能够支持与自由空间辐射有效耦合的高Q平带共振，但这种复杂的结构对加工精度要求极高，并且难以实现Q因子的灵活调控。因此，开发一种在简单几何结构中实现高Q平带谐振的通用方法，显著提升光子态密度并实现光-物质相互作用增强，对于非线性光学、量子光学以及光探测等领域具有极其重要的意义。

图1 A为非线性产生过程示意图。B和C分别示意了平带与陡峭色散带对线性和非线性过程的响应及对比。

研究内容

在这项工作中，作者创新地提出了一种基于简单硅基超构表面实现高Q光子平带共振的通用方法，该方法适用于厄米和非厄米系统中（图2）。实现平带色散的关键在于：通过晶格常数的扰动，将原本位于第一布里渊区（FBZ）边缘的色散GM带折叠到Γ点附近，该模式对应的能带与相近频率但沿相反方向传播的辐射模式之间发生强相互作用。通过调节晶格扰动的振幅，可以灵活控制相互耦合强度U，从而构建在ω-k空间中覆盖宽波矢范围内的光子平带。进一步引入对称破缺，位于Γ点处的BIC转化为具有高Q因子的准BIC共振，且整个能带上稳健的Q能够被任意调控而不影响平带的色散趋势。作为这种平带的应用范例，作者将紧聚焦的窄带泵浦激光入射到支持高Q平带共振的硅基超构表面（图1）。实验结果表明，产生的THG信号相比于同等厚度的硅薄膜增强了近10,000倍（图3）。

图2 厄米（A-G）和非厄米（H-M）光子晶体系统中的通用平带设计。

图3 THG实验结果。F1对应于平带系统的THG，相比于无图案的硅薄膜，增强了近10,000倍。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请论文作者团队进行了专访，请他们为大家进一步详细解读。

CellPress：

请简要概述这项工作的亮点。

作者团队：

在周期性结构中引入周期加倍微扰，能够产生准导模共振，其Q值相对于波矢的鲁棒性显著优于QBIC，这是当前在非局域超表面中实现高Q共振的一个重要策略。本工作的亮点在于，在两维周期性结构中，通过控制第一布里渊区折叠，可以调控特定方向上准导模与结构中原有导模共振之间的耦合，从而获得高Q平带共振响应。与基于Moiré晶格等其它实现平带的方案相比，这种方法在器件结构设计以及加工工艺上更为简便，因此具有显著优势。我们此前已经基于这一方案实现了无彩虹效应的高相干热辐射（Nature Communications, 15, 4019(2024)）。在本工作中，我们进一步提出了一种从厄米到非厄米系统中实现高Q光子平带共振的通用设计方案，并基于该方案成功实现了硅基超构表面中的三次谐波（THG）显著增强。在实验上，我们验证了-12°到12°的宽入射角范围内具有稳定中心波长的高Q共振态，并在紧聚焦的窄带激光泵浦下，成功实现了相比于相同厚度的硅薄膜近10,000倍的THG增强。我们还通过进一步的优化设计，将高Q光子平带拓展到了约-50到50°角度范围。这些结果为非线性成像、光检测、光信号处理和数据存储等在内的广泛应用开辟了新的可能性。

CellPress：

研究过程中遇到了哪些困难？团队是如何克服并顺利解决的？

作者团队：

在研究过程中，我们面临的一些问题包括：

首先，我们考虑到材料吸收损耗对光子平带共振Q值的影响问题。高吸收损耗会显著降低Q值，从而影响共振性能。经过调研，我们发现市场上存在蓝宝石衬底上不同厚度的单晶硅薄膜晶圆, 在通信波段表现为近0的光学吸收损耗。于是，我们最终选择这种现成的无损薄膜材料作为研究基础，从而有效解决了材料吸收损耗的问题，为后续的实验设计奠定了良好的基础。

其次，在该工作进展中，为了从理论上去解释所观察到的数值模拟结果，我们结合时域耦合模理论（TCMT）深入研究了光子平带形成的物理机制，发现可以通过周期加倍微扰的大小来准确控制准导模与导模共振之间的耦合效率，最终得到实现光子平带的临界耦合条件。进一步打破超元胞的结构对称性，我们成功实现了高Q因子的光子平带共振。

最后，所需要解决的问题就是如何将光子平带的覆盖波矢范围拓展到更广的区域，从而该方案可以适用于紧聚焦程度更强的入射光束。为此，我们通过进一步优化光子晶格结构，最终成功在简单周期结构中实现了光子平带波矢范围的新突破，覆盖范围达到了-50至50°。

CellPress：

团队下一步的研究计划是怎样的？

作者团队：

接下来，我们将进一步拓展这种高Q光子平带共振设计方案的应用范围。我们计划将这种广角范围内高局域光子态密度的优势应用于其他非线性光学过程，例如高次谐波生成（HHG）和四波混频（FWM）等，以深入探索其在不同非线性光学领域的应用潜力。此外，我们还计划将这种方案与其他的光子器件进行集成，开发高性能上转换光学成像系统和光信号处理器。与此同时，我们也会探索这种设计在量子光学领域的应用，例如利用高Q平带共振来增强量子纠缠态的生成和操控，为量子信息处理和量子通信等领域提供新的技术手段。

CellPress：

最后，是否可以与我们分享一下选择Newton来发表这个工作的原因？

作者团队：

我们选择Newton期刊主要是因为其聚焦出版从基础到应用物理的突破性研究论文，涵盖当代物理学多个领域。作为一个新兴但具有巨大潜力的期刊，Newton可以帮助本工作吸引更多领域的读者关注，充分展现我们工作的科学价值与实际意义。

作者介绍

孙开礼

博士研究生

孙开礼，山东师范大学2022级在读博士研究生。主要从事周期性结构中的高Q模式及其在非线性光学、中红外热辐射等微纳光学领域的研究。截至目前，以第一作者身份在Newton、Nature Communications、Nano Letters、Photonics Research及Physical Review系列等光学领域期刊发表论文14篇，授权发明专利1项。近年来获王大珩光学奖（2024）、国家奖学金等。

韩张华

教授

韩张华，山东师范大学教授、博士生导师。主要从事非局域超表面及其应用研究，已在光学领域主要学术期刊发表SCI收录论文130余篇，其中包括第一作者/通信作者在Newton、Nature Communications、Nano Letters、ACS Photonics、Physical Review B等著名期刊发表70余篇。其研究成果共被引用约6000次，其中单篇被SCI引用超过100次的论文有11篇，并先后有8篇论文入选为“ESI高被引论文”（前1%）。2023年和2024年连续两年入选斯坦佛大学John P. A. Loannidis教授团队发布全球前2%顶尖科学家榜单。

蔡阳健

教授

蔡阳健，男，1977年出生，山东师范大学副校长、教授、博导，国家杰出青年科学基金获得者、美国光学学会会士、全国百篇优秀博士学位论文获得者、德国洪堡基金获得者。长期从事光场调控研究，在光场相干性/相干结构调控及应用方面取得了系统性成果，在国内外权威期刊发表二区及以上论文300多篇，发表邀请综述论文21篇，英文专著章节2章，论文被他引2万多次。入选“2010年江苏省十大青年科技之星”，连续多年入选Elsevier发布的“中国高被引用学者榜单”及美国斯坦福大学发布的全球前2%顶尖科学家榜单。主持国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重大研究计划重点项目、国家自然科学基金重大项目课题、国家重点研发计划项目课题等项目。担任《光学学报》副主编、PhotoniX资深编辑、Advanced Photonics Nexus编委、Progress in Optics编委、全国光学青年学术论坛主席团成员、山东省光学工程学会副理事长、山东省物理学会副理事长。

黄陆军

研究员

黄陆军，华东师范大学紫江优秀青年研究员。2008年于华东师范大学物理系获得学士学位，2017年于美国北卡罗莱纳州立大学材料科学与工程系获得博士学位。2018年至2021年在澳大利亚新南威尔士大学从事博士后研究。2022年7月加入华东师范大学物理与电子学学学院。他的研究兴趣包括纳米光子学，超构材料和超构表面，已在Nature Reviews Physics, Nature Communications, Physics Reports等高水平期刊发表论文60余篇。