Phys. Rev. Lett.: 清華大學—由電磁耦合超構分子產生的人工非線性

【引言】

光學非線性是一種強光與物質相互作用產生的普遍性的物理效應，已在激光技術、光通訊和光信息技術等顛覆性技術領域發揮了至關重要的作用。然而，由于缺乏描述自然非線性過程的清晰物理圖像，非線性光學材料的探索長期處于定性或半定量階段。實現一種可精確預測和精準設計的人工光學非線性材料，成為一個極具挑戰且富有前景的課題。

【成果簡介】

近日，來自清華大學的周濟教授（通訊作者）等人提出的人工材料基于一個巧妙設計的人工超構分子（metamolecule）內部電場和磁場的耦合打破了材料物理環境的空間對稱性，從而實現了人工設計的光學非線性。

該方法得到的光學非線性完全源于人工超構分子，而無需自然光學非線性材料參與，因此可以通過改變人工結構，對所產生的光學非線性進行精確的設計和調控。同時，該人工非線性理論的物理過程明確且清晰，可應用于非常寬的電磁頻譜。相關研究結果表明，通過適當的縮放超構分子結構的幾何尺寸，在微波到紅外波段均可以產生明顯的光學非線性。

這一全新的人工理論，使得光學非線性具有了前所未有的設計自由度，將極大的促進新一代光源及光信息技術的快速發展，同時也將促進如非線性光學透鏡和非線性全息等新技術的產生和發展。

【圖文導讀】

圖1?由電磁（EM）耦合人工超構分子組成的超材料原理圖

（a）陣列原理圖

（b）晶胞原理圖，藍色為環氧板，黃色為銅，紅色為鉍，其中l₁?= 3.4mm，w₁?= 0.45mm，g = 0.1mm，l₂?= 2.3mm，w₂?= 0.5mm，d = 0.1mm，P = 3.6mm

圖2?人工超構分子的光譜圖和磁場分布圖

（a）在從頂部的x偏振平面波的正常照明下，模擬分子的反射，透射和吸收光譜，其中藍線表示透射光譜，紅線表示反射光譜，綠色表示吸收光譜，10GHz處用灰色虛線標記

（b）10GHz處的表面電流和磁場分布，其中紅色箭頭表示表面電流的取向

圖3?y偏振非線性人工超構分子的時域透射光譜及頻域光譜

（a）y偏振非線性人工超構分子的原始和高通濾波時域透射光譜，其中藍色為原始時域透射光譜，橘紅色為高通濾波時域透射光譜，根據時域中的y偏振透射光譜，可以通過7V / m的峰值電場的高通濾波來提取20GHz的波

（b）非線性人工超構分子的頻域光譜，更明顯地表現出SHG（二階諧波產生效應），其中的小圖是兩個元原子的頻譜

圖4?人工超構分子在y偏振中的反射頻譜

人工超構分子在y偏振中的反射頻譜，其中的小圖是其原始和高通濾波的時域光譜，峰值電場為453.1 V / m時，SHG也不同

圖5?透射SHG的強度與兩個元素之間距離的關系

透射SHG的強度與兩個元素之間的距離之間的關系，兩個元原子之間的較窄距離將切割線定位在具有較強磁場的區域中，并導致較高的SHG強度，尤其是在小于0.1mm的范圍內；其中的小圖是具有不同寬度的切割線元素的SHG的強度以及數據點的線性擬合，顯示出其他幾何影響并且呈現線形寬度的增加，以線性方式提高了SHG的強度

【展望】

該成果理論上展示了一種由兩個EM耦合的元原子組成的超構分子產生的純人造光學非線性的新機制。切線元素中的自由電子與位于SRR（開口環式諧振器）元原子中的磁場相互作用，在磁力下以非調諧方式振蕩，產生非線性響應。基于經典電磁學理論，分子的二維非線性的物理過程可以通過數字模擬來明確描述。此外，這種創新機制具有超高的設計自由度。人造非線性的這種純粹的EM機制，在天然材料中不涉及任何光電子、熱、機械或量子過程的參與，為設計非線性光學材料提供了基于超材料的方法，這將帶來更多的可能和夢幻般的非線性光學的潛力。

文獻鏈接：Artificial Nonlinearity Generated from Electromagnetic Coupling Metamolecule（Phys. Rev. Lett., 2017, DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.167401）

本文由材料人電子電工學術組徐濤整理編譯。

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