11月5日，华中科技大学武汉光电国家研究中心陈林教授、王健教授团队联合熊伟教授、北京大学张青教授，在《自然通讯》（NATURE COMMUNICATIONS）发表最新研究进展“Full-Color Enhanced Second Harmonic Generation Using Rainbow Trapping in Ultrathin Hyperbolic Metamaterials”。

非线性光学描述了光与物质相互作用中入射场与产生的对应场极化的非线性关系，是光学物理最基本的基础学科分支之一；同时，在激光技术、显微成像、材料科学、生物成像以及量子光学等方向都有重要的意义。非线性效应源于激发场下的电磁场极化的高阶项，其响应通常很弱，需要严苛的相位匹配或准相位匹配条件以及足够的长度来增强非线性效应。寻找更有效的非线性材料或非线性增强的物理机制，同时实现宽谱的增强效应，是现代光学的一个重要研究方向，在非线性高光谱影像等领域具有重要应用，但也是研究领域的难点。

超表面技术为亚波长尺度下的非线性增强提供了一种很有前景的方法。等离子体超表面可以将场局限于深亚波长尺度内从而极大增强非线性谐波的产生，但是欧姆损耗和光场在金属中很弱的趋肤效应导致了非线性转换效率难以提高。相对地，低损的全介质纳米结构依靠高品质因子的米氏共振，局限泵浦光从而激发非线性过程，并同时可作为纳米天线从而高效提取产生的非线性光信号，因此得到了广泛研究。其它方案如混合超表面，它将共振金属结构与其它介质或特殊非线性材料结合，进一步提高了频率转化过程。然而，这些方法都是基于高品质因子的共振，它们在原理上是窄带的，因此限制了它们在宽带非线性上的应用。

本文中，研究者们报道了基于双曲色散材料结构阵列的宽带非线性增强效应。研究人员发现，基于金属/介质多层结构的双曲色散超材料可以支持大动量模式，当光频率接近模式的截止频率时，光的群速度接近于0形成慢光，光被局域在亚波长尺度。对于具有渐变宽度的梯形双曲色散超材料，其不同宽度对应于不同的截止频率，可在宽频范围内实现局域电磁场增强（“彩虹捕获”效应）。作为例证，研究者制作了基于金/氧化锌多层的纳米结构，在可见光范围内（400-650 nm）内实现了增强二次谐波产生，在470-650 nm波长范围内，基频电磁场增强因子超过50，并在8.80 mW泵浦功率下实现了最大1.13×10^-6的倍频转换效率。本工作为宽带非线性超表面器件提供了一种有效且可靠的实现方法。

该工作得到国家自然科学基金(Grant Nos. 11674118, 12074137, 61774067, 51991340)、国家重点研发计划(Grant No. 2018YFB2200200, 2017YFA020570)和武汉理工大学材料合成与加工先进技术国家重点实验室的基金资助。陈林老师博士李君浩为第一作者，新加坡国立大学胡光维博士、中国科学院微电子研究所史丽娜副研究员为共同第一作者，陈林教授、张青教授、熊伟教授担任通信作者。其他合作者还包括参与实验的研究生，熊伟教授学生李大千、付欢歌、周琳琳，何赛灵教授学生贺楠，张青教授学生尚秋宇，以及浙江大学何赛灵教授、武汉理工大学教授官建国、研究中心王健教授。

FIG.1实现宽带增强二次谐波产生的双曲色散超材料结构。

FIG.2 (a)未加工的金/氧化锌多层结构侧壁横截面SEM图片.(b)单柱梯形HMM的SEM图片.(c)双柱梯形HMM的SEM图片。

FIG.3(a)测试装置示意图. (b)双曲色散超材料宽带增强二次谐波产生的测试结果。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-021-26818-3