近日，西安理工大学和清华大学联合研究团队在太赫兹超表面连续域束缚态（bound states in the continuum, BICs）领域取得重要进展，发现了一种罕见的镜像耦合超级BICs简并对。相关研究成果以Polarization-insensitive terahertz third-harmonic generation from degenerate pairs of mirror-coupled super-BICs为题发表在应用物理类国际顶级期刊Applied Physics Letters上。西安理工大学博士研究生孙广成为文章的第一作者，通讯作者为西安理工大学王玥教授。该工作得到了国家自然科学基金（62275215、U21A6003），陕西省重点研究项目（2023GXLH-038），陕西省高校青年创新团队建设项目（21JP084）和西安市科技局重点产业链关键核心技术攻关项目（23LLRH0057）等支持。
光学非线性效应在激光、传感、量子光子学、全息和非线性成像等领域具有广泛的引用前景。宏观非线性光学过程依赖于使用非线性晶体产生强非线性信号，这需要严格的相位匹配和较长的光物质相互作用长度。然而，在纳米尺度下，光的典型传播距离小于相干长度，相位匹配约束不再适用于增强非线性转换效率。自从2018年BICs这一非凡概念被引入到超表面领域，其为在超表面中激发超高品质因子(Q)共振提供了全新途径。利用BICs增强非线性光学效应取得了令人瞩目的成就，但大多数工作都依赖于光谱上孤立的BICs。然而，许多非线性应用需要简并或接近简并的高Q共振，如自发参量下转换、非线性四波混频和腔内差频混频等。先前的BICs简并对是通过微调结构以使得两个孤立BICs发生偶然简并，这种BICs近简并对的频率分裂、中心频率和相对极化状态对材料变化和制造缺陷极其敏感，导致其性质不可预测。
围绕该课题，陕西省超快光电技术与太赫兹科学重点实验室、西安理工大学王玥教授团队与清华大学赵晓光副教授团队提出了一种金属-介质杂化太赫兹超表面，并利用磁偶极子与金镜中感应的镜像磁偶极子之间的强耦合实现了BICs简并对的激发。相比于常规的对称保护BICs，这种罕见的镜像耦合BICs在布里渊区相当大一部分空间表现出超高的Q因子，因而对器件加工过程中引入的制造缺陷具有鲁棒性。研究人员进一步将镜像耦合共振与辐射损耗设计相结合，在临界耦合条件下发现该太赫兹超表面成为一个完美吸收器，兼具高饱和吸收和超窄共振线宽等独特优势。研究进一步表明共振结构导致最大的电磁近场增强恰好发生在临界条件下。受益于完美吸收器内部的最大场增强，研究人员实现了高效、偏振不敏感的太赫兹三次谐波产生。该工作不仅为设计BICs简并对提供了全新选择，而且为有望推动高性能太赫兹光电子器件和超器件的研发。
图1 金属-介质杂化太赫兹超表面增强非线性效应的示意图。
图2 设计的杂化太赫兹超表面沿高对称M-Γ-X方向的能带及Q因子分布，表明TM1和TM2模式是一对简并BICs态
图3 TM1、TM2和TM3能带上Γ点处BICs态周围的Q因子和远场偏振分布。相比对称保护BIC，镜像耦合BICs简并对在动量空间很大一部分空间具有高Q因子分布，表明其对制造缺陷具有鲁棒性。
图4 通过设计辐射损耗实现对入射太赫兹波的完美吸收
图5 高Q太赫兹超表面完美吸收器中偏振不敏感、高效太赫兹谐波产生
团队介绍
王玥，教授/博导，博士毕业于哈尔滨工业大学，美国波士顿大学访问学者。陕西省高校青年太赫兹微纳材料、器件物理与应用创新团队负责人，省高校战略后备人才、西安理工大学高层次人才，2023和2024年连续入选美国斯坦福大学与爱思唯尔数据库发布的全球前2%顶尖科学家榜单。主要从事太赫兹波段碳纳米材料光子学、人工超材料功能器件物理及其在生物化学物质传感领域应用等研究工作。主持国家自然科学基金重点项目子课题、面上项目、陕西省重点研发项目、陕西省自然科学基金重点项目以及陕西省创新团队等多个项目。在Physical Review B、Applied Physics Letters、Carbon、ACS Photonics、Journal of Materials Chemistry A、ACS Applied Materials and Interfaces、Advanced Electronic Materials、Photonics Research以及Optics Letters等国内外知名期刊发表论文100余篇，其中SCI检索论文70余篇，5篇为封面/封底论文，1篇ESI高被引论文，1篇获美国化学学会优秀论文奖；获批国家发明专利14项；获得省自然科学二等奖1项；获2023年中国生物物理学会太赫兹分会“优秀科技工作者”荣誉。
赵晓光，副教授，博导，本、硕就读于清华大学，博士毕业于美国波士顿大学，2022年入选国家级青年人才计划，获得中国发明协会发明创业奖人物奖等奖励。主要研究方向是超材料与超表面技术、微机电系统、微纳加工技术等。主持国家重点研发计划“制造基础技术与关键部件”重点专项、科技部重点专项青年科学家项目以及国自然区域联合基金等多个项目。以通讯或者第一作者（含共同）在Advanced Materials、Optica、ACS Photonics、Advanced Science等期刊发表论文30余篇，总被引次数2000余次（Google Scholar）。其中7篇论文获得封面亮点报道，ESI高被引论文1篇，研究工作被多个国内外研究机构追踪，并被Science、Wiley、Science Daily等学术媒体报道，授权美国发明专利2项。
文章信息
Polarization-insensitive terahertz third-harmonic generation from degenerate pairs of mirror-coupled super-BICs
Guangcheng Sun; Yue Wang; Rongbo Xie; and Xiaoguang Zhao
Appl. Phys. Lett. 125, 081702 (2024)
https://doi.org/10.1063/5.0221133
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期刊介绍
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