[发明专利]一种基于超构表面连续域束缚态的非线性响应调控方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

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。

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。

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。

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。

表1非线性电磁超构表面研究的动态分析以及瓶颈问题