近日，由国际合作团队，包括芬兰阿尔托大学（Aalto University）孙志培教授团队、坦佩雷大学Juha Toivonen教授以及北京大学刘开辉教授团队的科研人员，成功研发了一种新型的“纳米彩虹”光源，并提出了一种在深亚波长尺度上产生宽谱相干光的新方法。该工作利用具有纳米厚度的二维硒化镓（GaSe）和二碘氧化铌（NbOI₂）晶体的二阶非线性光学效应，突破相位匹配条件的限制，在极宽的光谱范围内（565
- 1906 nm）实现了超连续相干光的产生。作者展示了此方法具有尺度小、功率低及效率高等优势，有望实现超宽带的集成光源，助力纳米光谱学和光通信等领域的发展。该文章以“Nanoscale thickness
Octave-spanning Coherent Supercontinuum Light Generation”为题发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》上。该研究工作得到了芬兰科学院、欧洲地平线2020计划，欧洲研究委员会基金的大力支持。芬兰阿尔托大学Susobhan Das和Md Gius Uddin为该论文的共同第一作者，Zhipei
Sun（孙志培）教授为论文通讯作者。
超连续谱光源是一种能够产生极宽光谱的光源，在光学相干层析成像（OCT）、光谱学、光通信、气体检测等领域都有广泛的应用。超连续谱的产生最初在玻璃中被报道，此后研究人员相继在固体、液体和气体等各种非线性光学介质中进行了大量研究。目前，超连续谱光源的产生机理，主要是基于三阶非线性光学效应，例如，自相位调制、四波混频和孤子效应等。然而，通常三阶非线性光学响应很弱（例如，石英和硅的三阶非线性系数分别为~2.2×10-22m²/V、2.5×10-19m²/V²），因此，超连续光源通常需要利用波导（例如，石英光纤，硅波导）、光学微腔和级联非线性光学过程等，以显著增强光与物质的相互作用，从而实现宽带光谱的产生。一般来说，对于非中心对称的块状介质，二阶非线性系数比三阶非线性系数大8到10个数量级。因此，基于二阶非线性光学过程的宽谱相干光源产生在理论上可有更高的效率和更低的功耗，然而，块状非线性晶体中的相位失配严重限制了光谱覆盖范围和产生效率。 创新研究
此工作研究了纳米尺度下超连续相干光的产生。研究团队通过在超薄的GaSe和NbOI₂晶体中，通过二阶非线性光学频率下转换，成功产生了覆盖565至1906
nm的相干光（图1）。由于这些晶体仅具有亚波长厚度（~100 nm），远低于入射光的相干长度（~400 nm），因此，该二阶非线性光学过程不受相位匹配条件的限制。相比于传统块体材料，“纳米彩虹”光源的厚度更薄，激发功率更低。此外，在NbOI₂晶体中，单位厚度（每微米）的转换效率超过了0.66%，比传统块体材料高出了三个数量级。 为了验证这种新型光源的相干性，作者采用了迈克尔逊干涉仪进行表征。测试结果表明该光源产生的干涉条纹衬比度超过了0.9，证明了其相干性优于传统的发光二极管（LED）光源（其衬比度~0.67）以及长脉冲泵浦的超连续谱光源。这种卓越的相干性归功于实现“纳米彩虹”光源的光学非线性介质不受相位匹配条件的限制。作者进一步利用NbOI2等具有更强光学非线性的材料，提高了光源转换效率和总输出功率，进一步增强了该方法在实际应用中的可行性。这项技术的提出，预示着“纳米彩虹”光源将有可能在光谱学和光通讯等领域发挥重要作用，为光谱学和光子学的研究与应用开辟新的道路。![]()
图1 “纳米彩虹”光源的光谱特性。a) 在深亚波长厚度（~100 nm）的纳米材料中，通过差频（DFG）产生超连续光的示意图。“纳米彩虹”光源的厚度显著低于入射光的相干长度，不受相位匹配条件的限制。b) 可调谐的超连续光谱。实验中使用了两束入射光，其中一束的中心波长固定为λ1= 400 nm，另一束的中心波长为Δλ2（可调谐），产生的超连续光的光谱宽度为Δλ2。
总结展望
“纳米彩虹”光源的进一步发展，将拓展非线性纳米材料在光学成像、光谱学和光通信等领域的应用，促进光子学在更小尺度上的革命性进步。 论文信息
Das, S., Uddin, M.G., Li, D. et al. Nanoscale thickness Octave-spanning coherent supercontinuum light generation. Light Sci Appl 14, 41 (2025).
https://doi.org/10.1038/s41377-024-01660-6
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