一种基于超构表面连续域束缚态的非线性响应调控方法技术

本发明专利技术公开一种基于超构表面连续域束缚态非线性响应的调控方法，包括以下步骤：步骤一、理论计算BICs产生人工非线性响应的物理参量；步骤二、基于得到的影响非线性响应的物理参量，分别从直接激发和间接激发BICs两种激发方式对比分析超构表面对非线性响应的仿真结果；步骤三、非线性超构表面的设计加工与测试。本发明专利技术以超构表面为理论设计平台，以有限元分析软件为计算支持，以光波段近场探测为表征工具，探究BICs实现高效、人工非线性响应的理论机制以及超构表面各个物理参量对非线性BICs的调控影响，揭示人工非线性BICs蕴含的物理机制和工作机理，实现全人工、高效、可调控的非线性响应，满足非线性光学器件的工业应用要求。满足非线性光学器件的工业应用要求。满足非线性光学器件的工业应用要求。

【技术实现步骤摘要】
一种基于超构表面连续域束缚态的非线性响应调控方法


[0001]本专利技术涉及非线性光学领域，特别是涉及一种基于超构表面连续域束缚态的非线性响应调控方法。

技术介绍

[0002]非线性光学，因其频率调谐的特性，在信道复用、信号同步等方面具有重要应用。非线性光通信器件不仅可以提升信息传输效率，还能大大降低通信成本。一直以来，研究者们通过诸如局域电场增强、复合非线性材料、相位匹配等途径，不断地探寻提高非线性转化效率的方法。然而绝大多数非线性光学器件受到本征非线性极化率、饱和吸收率、色散等因素的制约，不能满足完全人工设计、高效转化非线性响应的需求。由于无法摆脱材料的束缚，非线性器件难以适应科技前沿的发展趋势，根据用户所需功能，实现全定制、任意性设计。
[0003]近些年，电磁超构表面的迅速发展促进了非线性光学的范式转移
[1,2]——人们通过设计单元结构可以在亚波长范围内多自由度地操纵非线性响应。一些研究工作
[3,4]发现，利用超表面中光热耦合、光力耦合带来的内在非线性，可以实现人工非线性响应。但是，这种由热效应、机械效应带来的内在非线性均有应用局限性：热弹性超表面在开放系统下耦合效率较低，影响非线性响应的高效率转化；力弹性超表面的机械位移较慢，响应时间延迟限制了非线性响应的高频频段应用。
[0004]磁偶极子共振
[5]由于其独特的正交性和相消干涉现象为高效率的人工非线性提供了可行路径。在磁偶极子共振过程中，入射光的能量被吸收到一个等效电感电容(LC)电路中，局限在体积极小的等效电容中。磁场的局域效应增强了结构表面的非线性光学过程，且可以在开放系统中保持较高的耦合效率以及较快的响应速率。此外，利用磁偶极子共振，也可实现非线性响应在波长、效率等自由度下的人工操控。然而，由于结构内部的感应磁场较为微弱，磁共振超构表面的非线性转化效率十分有限(10
‑5～10
‑3)，导致非线性电磁超构表面在实际应用中缺乏优势。
[0005]基于上述研究背景，如何最大限度地提升超表面结构内部的感应磁场，得到极大磁偶极矩，并在多个自由度下实现人工非线性响应的高效调控，这些问题亟待解决。研究如何在经典电磁学的基础上获得磁分量的理论极限并实现高效人工调控，兼具重要的科技前景和开拓价值，且符合非线性电磁超构表面的发展趋势，并将为新颖非线性光学器件的工业设计提供有力的理论支撑。
[0006]利用磁共振效应对人工电磁非线性学的研究这些年一直快速发展更新。基于磁偶极子共振产生光学非线性的研究最早由Stefan
[6]课题组从实验层面上证明，金属开口环阵列中磁偶极矩被激发产生的。由于感应磁场垂直于超构表面，由磁分量引发的非线性响应沿横切面方向，更易有效地辐射向远场，因而激发磁偶极子共振与激发电偶极子相比，可以探测到更强的非线性光响应信号。此后Martin
[7],Guixin
[8]和Yuri
[9]等研究者的工作也相继报道了有关磁等离子体共振增强非线性响应的现象。尽管通过设计特定的结构，磁等离
子共振产生的非线性可大于电偶极子共振，但由于金属焦耳损耗、吸收损耗等问题，该机制产生的非线性依然十分微弱，且调频范围有限，距离工业应用要求相差甚远。具体见表1。
[0007]表1非线性电磁超构表面研究的动态分析以及瓶颈问题
[0008][0009]与金属纳米结构相比，全介质超表面除了低损耗、可降低激发功率等优势之外，其内部激发的米氏共振可使模场重叠增加并且带来更高的损伤阈值，这为非线性光学效应的产生与控制提供了更多额外的优势。Costantino
[10],和Boris
[12]等科学家的研究均证明了全介质的米氏共振中电场与磁场类型共振模式可以被同时激发。然而，米氏共振如果实现较大的光场增强效果，往往需要较大的折射率来满足。除了米氏共振之外，Guowei
[13],Zubin
[14],Jinsong
[15],David
[16]等研究者们继而发现法诺共振也可以发生在全介质结构中，并且法诺响应具有更高的Q值。该法诺共振的本质是激发模式与辐射模式之间的相消干涉，从而可对总散射截面实现抑制，对结构表面的吸收实现增强。近几年，法诺共振理论与超表面结合的研究工作越来越多
[17]，特别是诸如控制相位、偏振、近场强度等功能紧密依赖于结构的周期性，为人工非线性响应提供了更多可能途径。
[0010]对于这种周期性排布的结构，如果晶格是对称的，则每个谐振布洛赫波可以支持与连续域束缚态(BICs)相关联的无泄露模式
[18]。由于完美BICs的理论Q值为无穷大，其所激发的共振模式将大大增强，从而很有可能使光学非线性效率实现根本上的突破。自Chia
[19]证明了光学BICs后，一系列将BICs与光学非线性相结合的研究工作
[20
‑
25]相继发表。Yi
[20]通过激发硅介质超表面中的捕获模式，将三阶非线性提升至原有单晶硅的300倍。Shumin和Qinghai
[21]通过C形介质硅超表面的高阶共振抑制作用，过滤掉短波长的吸收损耗，同样将硅单晶硅超表面的三阶非线性提供2个数量级。这两个工作中的三阶非线性效率依赖于单晶硅的固有三阶非线性极化率因此，该超表面的三次非线性是依赖于波长和泵浦光偏振的，只有在特定的波长和入射偏振下才能得到最大的三阶非线性转化率。Igal
[22]提出的工作则是通过打破GaAs超表面几何对称性激发准BICs来实现高阶非线性。Yi
[23]和Krill
[24]的研究进一步提供了如何激发准BICs超高Q值的详细原理方
法，并且提出通过调整单元结构的对称性，可以实现对超表面非线性效率的调控。尽管以上研究工作通过利用BICs高因子特性将超表面非线性的效率提高了若干数量级，但是对于单晶硅和GaAs这些纯介质材料，只有本征三阶非线性极化率数值较大，因此，基于BICs的全介质超表面非线性阶数取决于介质材料本身的非线性性质，且调控范围十分有限。之后Jinwei
[25],Dezhuan
[25],Bohua
[26]等研究者的工作讨论了等离子体材料的BICs，扩展了BICs响应的模式频谱范围。虽然以上基于BICs的非线性工作不断在改进非线性效应的各方面调控功能，但是这些光学非线性响应都是由线性光响应决定的，而线性光响应又直接取决于超构表面材料的性质，因此无法真正摆脱借用所采用材料的固有性能。专利技术人
[27]本年度提出了一种通过引入量子谐振子来直接操纵非线性光学响应的新机制。利用准BICs和等离子体极化激元产生的光学共振，可同时调谐超构表面的多个非线性光学信号。另外，通过调节超表面单元的对称性参量ΔL或Δh(面内以及面外)，可以调控光响应的幅值、频率以及线宽。但是，该种非线性超构表面的共振模式受到提供量子谐振子的非线性复合材料的影响，非线性效率难以进一步增大。
[0011]目前，国内很多高本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超构表面连续域束缚态非线性响应的调控方法，其特征在于，所述超构表面为周期性结构，包括以下步骤：步骤一、理论计算BICs产生人工非线性响应的物理参量；具体如下：(101)将超构表面中的共振效应分为两种情况：单基频电磁共振和双基频电磁共振，单基频电磁共振的电偶极矩、磁偶极矩在同一频率被激发；双基频电磁共振的电偶极矩、磁偶极矩在不同频率被激发，分别对单基频电磁共振和双基频电磁共振建立对应的物理模型；(102)利用安培定律判断BICs的磁分量，求解不同超构表面单元结构的磁偶极矩；求解自由电子受到的磁力和电场力，利用微扰理论求解非线性极化强度；(103)从求解得到的非线性极化强度中，确定BICs产生人工非线性响应的整个物理过程，并确定影响非线性响应的物理参量；步骤二、基于得到的影响非线性响应的物理参量，分别从直接激发和间接激发BICs两种激发方式对比分析超构表面对非线性响应的仿真结果；具体如下：(201)对于打破对称性实现直接激发BICs的情况，通过打破超构表面单元结构本身的对称性或者打破入射光的对称性实现，利用引入BICs调控因子的电—磁偶极子耦合模理论计算超构表面单元结构的磁光导电率、对称性破缺程度、入射偏振方向这些物理参量对非线性响应的转化效率、线宽以及频谱表征信息的影响；所述超构表面单元结构为选取超构表面内一个周期的结构；(202)对于引入辐射模间接激发BICs的情况，引入一个超辐射的谐振子，同样利用引入BICs调控因子的电—磁偶极子耦合模理论计算超构表面单元结构的谐振腔尺寸、排布方式以及耦合间距这些物理参量对非线性响应的转化效率、线宽以及频谱表征信息的影响；(203)将未激发BICs和激发BICs模态下非线性响应表征信息的结果进行对比分析获得BICs的可调性；总结BICs产生人工非线性电磁响应的物理规律；步骤三、非线性超构表面的设计加工与测试；(301)基于步骤一的理论计算和步骤二的仿真结果，选择超构表面单元...

【专利技术属性】
技术研发人员：任群，王秀宇，辛继红，杨志群，韩家奇，沙威，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：