Controlling light with nonlinear quasicrystal metasurfaces
超表面是一种二维结构化介质，是在亚波长尺度上操纵光传播的一种新平台。在线性光学领域，平面超透镜、超曲面光学全息等研究受到了广泛的关注。近年来，超颖表面进入了非线性光学领域。虽然人们认识到元原子的局部对称性起着至关重要的作用，但它与非线性元表面的全局对称性的关系仍然难以捉摸。根据Penrose镶嵌和新近提出的六方准晶镶嵌，设计并制备了基于局域旋转对称的几何相位控制等离子体原子的非线性光学准晶超颖表面。二次谐波将由准晶体超表面的镶嵌方案和它们所组成的超原子的局域对称性决定。所提出的概念为设计具有所需光学功能的非线性超表面晶体开辟了新的途径。
2019-01-29 physics.optics
Asymmetric parametric generation of images with nonlinear dielectric metasurfaces
组装到超颖表面中的亚波长介质谐振器已经成为接近纳米级的光学元件的多功能工具。一类重要的超颖表面功能与光的产生和传输中相对于发射器和接收器的位置的反转的不对称性相关联。超颖表面中的非线性光-物质相互作用为光的非对称控制提供了一条有前途的途径。在这里，我们展示了非线性超颖表面中光的非对称参数产生。我们将不同的非线性介质谐振器组装成半透明的超表面，这些超表面在可见光谱范围内产生图像，并被红外辐射照射。通过设计，对于相反的照射方向，即当红外发射器和可见光接收器的位置交换时，超表面产生不同的且完全独立的图像。通过亚波长谐振器实现的光的非线性非对称控制通过将大量非线性谐振器密集集成到紧凑的超表面设计中为新型纳米光子组件铺平了道路。
2022-12-21 physics.optics
Quantum Pair Generation in Nonlinear Metasurfaces with Mixed and Pure Photon Polarizations
本研究在GaAs超表面中利用qBIC共振增强SPDC产生频率非简并双光子，通过偏振层析成像证明光子偏振反映qBIC远场特性，并可通过调控qBIC模式与超原子对称性实现单光子偏振控制，为可调偏振单光子预示产生提供途径。
2024-09-11 physics.optics quant-ph
Inverse design of broadband, strongly-coupled plexcitonic nonlinear metasurfaces
耦合到原子薄半导体的等离子体超颖表面的混合光子结构已经成为强光-物质相互作用的通用平台，支持强耦合和参数非线性。然而，设计优化的非线性混合元表面是一项复杂的任务，因为多个参数对非线性响应的贡献是难以捉摸的。在这里，我们提出了一个简单而强大的策略，最大限度地提高非线性响应的混合结构的基础上进化逆设计的元表面的近场增强周围的激子频率。我们发现，强耦合大大增强了非线性信号，其幅度主要是由拉比分裂，使其强大的元表面的几何变化。此外，通过这些混合结构获得的大拉比分裂使得能够在混合模式的频率上进行宽带操作。我们的研究结果是实现灵活的非线性控制的重要一步，这将有利于非线性频率转换，全光开关和相位控制非线性超颖表面的应用。
2022-03-28 physics.optics
Gradient Nonlinear Pancharatnam-Berry Metasurfaces
我们将Pancharatnam-Berry相位方法应用于由高度非线性多量子阱衬底加载的等离子体超颖表面，建立了一个基于巨局域非线性效应的随意控制非线性波前的平台。我们应用这种方法来设计平面非线性超颖表面的有效的二次谐波辐射，包括光束转向，聚焦和偏振操纵。我们的研究结果为非线性光学开辟了一个新的方向，其中相位匹配问题被放松，并且在具有巨大非线性响应的薄器件上实现了前所未有的局部波前控制水平。
2015-10-25 physics.optics
Active control of phase matching in nonlinear metasurfaces using Pancharatnam--Berry phase
Tampere University（坦佩雷大学）；University of Eastern Finland（芬兰东部大学）
通过利用非线性潘查拉坦-伯瑞相，研究非线性超材料的相匹配控制，实现900-970nm波长范围内二次谐波生成相匹配峰的连续调谐。
2026-05-12 physics.optics
Efficient single-photon pair generation by spontaneous parametric down-conversion in nonlinear plasmonic metasurfaces
自发参量下转换（SPDC）是产生纠缠关联单光子对的最常用的非线性光学技术之一。然而，它的效率非常差，导致极弱的光子产生速率。在这里，我们提出了一个等离子体超颖表面设计的基础上银纳米条纹结合散装铌酸锂（LiNbO3）晶体，实现一个新的可扩展的，可扩展的，高效的SPDC源。通过使超颖表面的基本和更高阶谐振分别与所生成的信号和空闲频率一致，非线性介质中的电场被显著地增强。这导致了SPDC过程的显著增强，随后，通过使用量子经典对应原理，SPDC过程转化为非常高的光子对产生速率。与相关的电介质结构相反，发射的辐射是高度定向的并且垂直于超颖表面。圆偏振激发的结合进一步增加了光子对产生效率。所提出的工作将导致设计在室温下工作的新的有效的SPDC单光子纳米光子源，预计将成为自由空间量子光通信的关键部件。在更广泛的背景下，我们的研究结果可以在量子等离子体激元学的新兴领域中找到各种应用。
2021-11-18 physics.optics quant-ph
Directionally Tunable Co- and Counter-Propagating Photon Pairs from a Nonlinear Metasurface
本文首次在理论和实验上实现了非线性超表面产生光子对发射角的精确控制，基于导模共振的横向相位匹配，支持同向与反向传播的可调谐发射，并提供了设计策略与实验验证。
2024-03-12 physics.optics quant-ph
Dynamic coherent perfect absorption in nonlinear metasurfaces
提出了一种基于非线性超颖表面的可调谐相干理想吸收体。非线性超颖表面由等离子体纳米天线耦合到具有大光学非线性的ε近零材料制成。通过控制输入光束的相对相位，实现了相干完全吸收。我们发现，非线性超颖表面的光学响应可以通过改变泵浦光的强度从完全吸收调谐到部分吸收。所提出的非线性超颖表面可用于设计光学可调谐热发射器、调制器和传感器。
2020-07-07 physics.optics
Quantum Imaging Using Spatially Entangled Photon Pairs from a Nonlinear Metasurface
本文提出并实验证明了一种基于铌酸锂薄膜非线性超表面的红外量子成像方法，通过调谐泵浦波长实现全光扫描并结合鬼成像，仅用一维探测器阵列和桶探测器即可重建二维图像，实现了超大视场和高分辨率。
2024-08-06 physics.optics quant-ph
Nonlinear and Ultrafast All-Dielectric Metasurfaces at the Center for Integrated Nanotechnologies
超表面通过在表面上布置的纳米级谐振器阵列来控制光学波前。当与具有强光学非线性的III-V族半导体结合时，可以在纳米尺度上实现和增强各种非线性效应，例如谐波产生和全光调制。这篇综述介绍了我们在集成纳米技术中心（CINT）制造的超快和非线性半导体超颖表面中的工程和增强非线性效应的研究。我们涵盖了我们最近的工作，通过直接和级联过程中的GaAs超颖表面使用米氏光学共振或连续介质保护的束缚态的参数产生谐波光，然后描述了最近的进展，谐波产生耦合到III-V族半导体异质结的子带间跃迁的全介质超颖表面。该评论的结论是超颖表面作为芯片上量子光产生的下一个平台的潜力。
2022-05-26 physics.optics
Nonlinear wavefront control by geometric-phase dielectric metasurfaces: Influence of mode field and rotational symmetry
非线性Pancharatnam-Berry相位超颖表面通过利用光子自旋相关的非线性几何相位来促进频率转换过程的非平凡相位调制。然而，由于等离子体纳米结构固有的高欧姆损耗和低损伤阈值，等离子体超颖表面在非线性频率转换方面显示出一些严重的限制。在这里，我们系统地研究了非线性几何相位与三次谐波产生过程中发生的全介质超颖表面，这是由不同的面内旋转对称的硅纳米鳍。我们发现，谐振基波场的不同场分量之间的波耦合引起所产生的三次谐波信号的不同的非线性几何相位的外观。我们的理论很好地解释了实验观察到的非线性光束转向和非线性全息实现的全介质几何相位超颖表面的工作。我们的工作提供了一个新的物理图片，以了解发生在纳米介质谐振器的非线性光学过程，并将有助于设计具有定制的相位特性的非线性超颖表面。
2020-04-09 physics.optics
Tungsten disulfide-gold nanohole hybrid metasurfaces for nonlinear metalens in the visible region
近年来，非线性混合超颖表面成为纳米光子学和纳米技术研究中一个引人注目的新概念。它由具有固有的大非线性极化率的半导体和传统的等离子体元表面组成，为有效地产生和操纵非线性光学响应提供了机会。基于多量子阱的等离子体超颖表面在中红外波段具有很高的二次谐波转换效率。然而，它还没有在可见区域得到证明。在这里，我们提出了一种新型的非线性混合超颖表面的可见光区，它由一个单一的二硫化钨（WS 2）层和相控金纳米孔阵列。结果表明，在810 nm处，该超表面的二次谐波极化率高达~0.1 nm/V，比典型的等离子体超表面高2~3个数量级。实验上实现了焦距为30 μm、50 μm和100 μm的非线性超透镜，为基于非线性混合超表面的SH信号的产生和处理提供了直接证据。它在设计集成、超薄、紧凑、高效的非线性光学器件，如频率转换器、非线性全息术和非线性光学涡旋光束的产生等方面有着巨大的应用潜力。
2017-10-14 physics.optics
Plasmon-induced nonlinearity enhancement and homogenization of graphene metasurfaces
我们证明了有效的三阶非线性极化率的石墨烯片可以提高两个数量级以上的图案化成石墨烯超颖表面。此外，为了更深入地了解这种现象，我们引入了一种新的均匀化方法，随后使用该方法通过计算石墨烯超颖表面的有效线性和非线性极化率来定量表征这种非线性增强效应。所提出的均匀化方法的准确性证明通过比较其预测与从Kramers-Kronig关系。这项工作可能会开辟新的机会，探索新的物理学有关的非线性光学相互作用的石墨烯超颖表面。
2019-04-25 physics.optics
Homogenization and Scattering Analysis of Second-Harmonic Generation in Nonlinear Metasurfaces
我们提出了一个广泛的讨论二阶非线性元表面的均匀化和散射分析。我们的发展是基于广义片过渡条件（GSTCs），这是用来模拟非线性超颖表面的电磁响应。GSTC在频域中求解，假设一个未耗尽的泵制度，并在时域中，假设色散的材料属性，但可能耗尽的泵制度。基于这两种建模方法，我们导出了一般的二次谐波无反射和无透射条件以及非对称反射和透射条件。我们还讨论和澄清有关非线性超颖表面的非互易散射的概念。
2018-02-28 physics.optics
Nonlinear Chiroptical Effect in Refractory Plasmonic Molybdenum Metasurface: Chiral Saturated Absorption and Chiral Reverse Saturable Absorption
本文研究难熔手性钼超表面的非线性手性光学响应，观测到手性三次谐波、饱和与反饱和吸收，并验证圆偏振光限幅器及全光逻辑应用潜力。
2025-02-18 physics.optics
Photon pair generation from lithium niobate metasurface with tunable spatial entanglement
本研究提出利用超薄非线性铌酸锂超表面产生并灵活调节空间纠缠光子对，通过改变泵浦激光波长和光束尺寸即可有效控制光子的空间纠缠度，为量子应用提供了新平台。
2023-08-31 physics.optics quant-ph
Nonlinear imaging with all-dielectric metasurfaces
非线性超颖表面结合了它们的线性对应物的许多功能，例如波前成形，但同时它们执行非线性光学变换。这种双重功能导致了相当不直观的物理行为，这对于许多光子应用来说仍然是广泛未开发的。非线性过程使得一些控制线性超颖表面功能的基本原理不能直接应用，例如叠加原理和几何光学近似。另一方面，非线性超颖表面促进了在线性区域中不可能的新现象。在这里，我们研究的对象通过介电非线性超透镜的成像。我们用红外线照射物体，并记录它们在可见光三次谐波波长下产生的图像。我们回顾了经典的透镜理论，提出了一个广义高斯透镜方程的非线性成像，实验和分析验证。我们还证明了实验高阶空间相关性的非线性超透镜促进，导致额外的图像功能。
2020-05-20 physics.optics
Intersubband polaritonic metasurfaces for high-contrast ultra-fast power limiting and optical switching
本文通过协同优化半导体异质结构材料与光子纳米结构，研制出超快极化激元超表面功率限制器，在实验中实现了创纪录的54%反射对比度，并指出全电介质超表面有望将对比度提升至94%。
2024-03-23 physics.optics quant-ph
Silicon metasurfaces for third harmonic geometric phase manipulation and multiplexed holography
非线性波前控制是利用超颖表面实现非线性光学应用的关键要求。非线性频率转换和波前控制的许多方面已经被证明用于等离子体超颖表面。然而，一些缺点限制了它们在非线性纳米光子学中的应用，包括高耗散损耗和低光学损伤阈值。相比之下，已经表明，由高折射率金属构成的超表面可以提供强的非线性响应。尽管最近在使用全介电纳米结构和超颖表面的非线性光学过程中取得了进展，但在直接利用生成过程实现完全波前控制方面取得的进展要少得多。在这里，我们展示了非线性波前控制的三次谐波产生与硅超颖表面。我们使用Pancharatnam-Berry相位方法对纳米结构硅超颖表面上的相位梯度和全息图像进行编码。实验证明了偏振相关的波前控制和编码全息图在三次谐波波长下的高保真再现。此外，我们表明，全息复用是可能的，通过利用三次谐波产生的偏振态。我们的方法简化了设计和制造过程，并铺平了道路，以一个易于使用的工具箱，非线性光学波前控制与全介质超颖表面。
2020-04-08 physics.optics
Comparison between the linear and nonlinear homogenization of graphene and silicon
在本文中，我们使用一个通用的均匀化方法来模拟两个超颖表面的线性和非线性光学响应：一个等离子体超颖表面由一个正方形阵列的石墨烯十字形补丁和一个介电超颖表面由一个矩形阵列的光子晶体（PhC）腔在硅PhC平板波导。前一个超颖表面在比超颖表面的石墨烯元件大得多的波长处谐振，而后一个超颖表面的谐振波长与其谐振组件的尺寸相当。通过计算和比较这两种超颖表面的有效介电常数和非线性介电常数，我们推断出金属和电介质超颖表面均匀化方法有效的条件的一些一般原则。特别地，我们表明，在石墨烯超颖表面的情况下，均匀化方法很好地描述了其线性和非线性光学性质，而在硅PhC超颖表面的情况下，均匀化方法不太准确，特别是在光学共振附近
2019-11-23 physics.optics
Nonlinear Metasurfaces: A Paradigm Shift in Nonlinear Optics
频率转换过程，如二次和三次谐波产生，是非线性光学中最常见的效应之一，为光子学、化学、材料科学、表征和生物传感提供了许多机会。鉴于天然材料固有的弱非线性响应，人们通常依赖于光学大样本和复杂的相位匹配技术来实现非线性效应。然而，将这些方法直接转化为小尺寸是非常具有挑战性的，因为在不达到导致材料击穿的极高光强度的情况下，不能诱导与线性响应局部相当的非线性效应。由于这个原因，寻求合成在中等输入强度下具有增强的光学非线性的新型材料是非常活跃的。在过去的十年中，人们引入了几种设计人造材料、超材料和超表面非线性特性的方法。在这里，我们回顾了小尺度非线性光学领域的当前技术水平，特别强调从等离子体超颖表面产生高次谐波，包括基于等离子体和高折射率介质谐振器的超颖表面，以及负载等离子体超颖表面。我们讨论了特定的电磁场配置的有效谐波产生的作用，包括磁偶极子，法诺共振，和anapole的。我们还讨论了最新的进展，在控制所产生的非线性波的相位前配置文件，使非线性元表面组成的纳米谐振器与明智的定制形状。最后，我们比较可行的方法，以提高非线性无相位匹配的约束条件下的超颖表面，并提供了一个角度和展望这个令人兴奋的领域的未来发展。
2017-06-23 physics.optics
Hyperpolarizability of plasmonic meta-atoms in metasurfaces
本文提出等效RLC电路模型估算等离子体元原子的一阶超极化率，经实验与计算验证，为非线性超表面设计提供简便工具。
2020-07-10 physics.optics
Investigation of broadband terahertz generation from metasurface
非线性超材料已被证明提供具有高非线性转换效率的非线性特性，并且在无数的光操纵中。本文研究了由单层纳米开口环谐振器阵列构成的非线性超颖表面产生太赫兹波的特性。基于金属中电子动力学的流体动力学模型，研究了开口环谐振腔二阶非线性光整流产生太赫兹波的问题.结果表明，非线性超颖表面使我们能够产生宽带太赫兹辐射，并没有准相位匹配条件。该方案为宽带太赫兹光源和非线性等离子体超材料的设计提供了新的思路。
2018-06-03 physics.optics
Enabling all-to-circular polarization upconversion by nonlinear chiral metasurfaces with rotational symmetry
本文提出利用堆叠策略设计具有高旋转对称性的双层手性超表面，实现准连续域束缚态共振，将任意线偏振或非偏振泵浦光上转换为圆偏振非线性信号，并揭示了信号强度比与非线性阶数及局部场增强的幂律关系。
2024-07-27 physics.optics
Enhanced four-wave mixing with nonlinear plasmonic metasurfaces
等离子体超颖表面提供了一种有效的方式来提高几种非线性过程的效率，同时保持纳米尺度。在这项工作中，非线性超颖表面的基础上的薄膜耦合银纳米带加载克尔非线性材料，以实现有效的四波混频（FWM）。高度局域化的等离子体共振在金属膜和纳米条之间的纳米间隙中形成。局部电场在该亚波长纳米区域中显著增强。这些属性与由于无反射区域而导致的松弛的相位匹配条件相结合，导致巨大的四波混频效率，与裸银屏相比，该效率提高了十九个数量级。此外，有效的可见光和低太赫兹源可以构建基于所提出的非线性超表面。四波混频产生的相干波具有方向性，其输出功率对激发源的入射角相对不敏感。该辐射功率可以通过增加激励功率来进一步增强。置于纳米间隙中的介电非线性材料是产生超强四波混频响应的主要原因。基于所提出的非线性超颖表面设计，可以设想设计跨越不同频率范围的紧凑且高效的波混频器和光源。
2016-06-13 physics.optics
Second harmonic and sum-frequency generations from a silicon metasurface integrated with a two-dimensional material
硅基非线性超颖表面由于晶体中心对称性仅具有三阶非线性，效率相当低，这阻碍了它们在低功率激光器中的实际应用。在这里，我们建议将二维的GaSe薄片集成到硅超颖表面上，以帮助高效率的二阶非线性过程，包括二次谐波产生（SHG）和和频产生（SFG）。通过共振泵浦集成的GaAs超颖表面，支持Fano共振，所获得的SHG比裸硅超颖表面的三次谐波产生强约两个数量级。此外，由于共振场增强和GaSe的强二阶非线性，该集成结构可以用低功率连续激光成功地激发出倍频，为进一步实现SFG提供了可能。二维材料辅助下的高效率二阶非线性过程为扩展硅超颖表面的非线性功能提供了可能。
2019-04-22 physics.optics
Inverse designed photonic fibers and metasurfaces for nonlinear frequency conversion
通常，设计用于非线性频率转换的光子波导依赖于直观和既定的原理，包括折射率引导和带隙工程，并且基于具有高度对称性的简单形状。我们表明，最近开发的逆向设计技术可以应用于发现新的微结构光纤和超表面设计，以实现大的非线性频率转换效率。作为一个原则的证明，我们展示了复杂的，wavelengthscale硫族玻璃纤维和磷化镓超颖表面表现出一些最大的非线性转换效率预测到目前为止。这种增强的出现是因为，除了在设计波长的选择中实现很大程度的可调谐性之外，这些优化工具还确保了频率和相位匹配以及大的非线性重叠因子，可能比手工设计的结构中获得的那些大几个数量级。
2017-11-21 physics.optics
Inverse Design of Nonlinear Metasurfaces for Sum Frequency Generation
本文提出多目标拓扑优化框架，逆向设计非线性超表面以实现高效和频产生，同时控制发射方向与偏振，效率超0.2 cm^2/GW。
2024-03-21 physics.optics
One-sided destructive quantum interference from an exceptional point-enabled metasurface
提出了基于非厄米特超颖表面的单边量子干涉的概念，通过设计具有非厄米特例外点的双各向异性超颖表面，证明了量子干涉只能存在于一侧而不能存在于另一侧.这是经典光学中单向零反射的量子继承，通过特制的超颖表面可以进一步控制单向干涉。在两个光子同时从不同侧面进入超颖表面的情况下，在具有反射的侧面上仅输出一个光子的概率可以被修改为零，作为单侧相消量子干涉，而另一侧上的输出没有干涉。我们设计了所需的双各向异性超颖表面，并数值模拟了所提出的效果。非厄米双各向异性超颖表面在调谐双光子量子干涉方面提供了更多的自由度，与著名的Hong-Ou-Mandel效应平行。
2021-06-28 physics.optics quant-ph
Nonlinear optics at all-dielectric nanoantennas and metasurfaces
不受相位匹配约束的等离子体超表面对控制光学非线性和通过工程化亚波长超原子提高非线性产生效率做出了重要贡献。然而，高耗散损耗和不可避免的热加热限制了它们在非线性纳米光子学中的应用。全介电超颖表面，支持电和磁米氏型共振在其纳米结构，已出现作为一个有前途的替代非线性等离子体。高折射率介电纳米结构允许额外的磁共振，可以诱导磁非线性效应，其与电非线性一起增加非线性转换效率。此外，低耗散损耗和高损伤阈值为在高泵浦强度下操作提供了额外的自由度，从而显著增强了非线性过程。在这篇综述中，我们讨论了当前的国家的最先进的在激烈发展的领域的全介质非线性纳米结构和超颖表面，包括米氏模的作用，Fano共振和anapole时刻的谐波产生，波混合，和超快光开关。此外，我们还综述了利用全介质超表面进行非线性相位和波前控制的最新进展。我们讨论的技术，实现全介质超颖表面的多功能应用和产生的二阶非线性过程的CMOS兼容材料。
2020-02-10 cond-mat.mes-hall physics.optics
Metasurfaces for Quantum Photonics
超颖表面发展的快速进展允许用薄的纳米结构薄膜（通常称为超颖表面）取代笨重的光学组件，从而为经典光学中的光的产生、操纵和检测开辟了广泛的新颖和优越的应用。最近，这些发展开始在量子光子学中取得进展，其中出现了控制光的非经典性质的新机会，包括光子统计，量子态叠加，量子纠缠和单光子探测。在这个角度来看，我们回顾了超颖表面的量子光子学应用领域的最新进展，重点是创新和有前途的方法来创建，操纵和检测非经典光。
2020-07-29 physics.optics quant-ph
Beam shaping by nonlinear moiré metasurfaces
本研究通过堆叠扭转的定制色散超表面构建非线性莫尔结构，揭示了可通过扭转角有效调控的复杂远场二次谐波辐射图案，为非线性波前整形及相关光子应用提供了新方向。
2024-06-20 physics.optics
Multiplexing-oriented plasmon-MoS2 hybrid metasurfaces driven by nonlinear quasi bound states in the continuum
非线性等离子体超颖表面的快速发展使得超颖表面具有许多新颖的光学特性，在频率计量、时序表征和量子信息等方面具有潜在的应用前景。然而，非线性光学响应的光谱通常基于线性光学共振。在这项工作中，波长复用的非线性等离子体激元-MoS 2混合超颖提出了抑制现象，其中多个非线性信号可以同时处理和可选的调谐。从经典方法和量子方法两个方面给出了描述连续介质中非线性等离子体束缚态的清晰物理图像。特别地，在普通的等离子体激元-极化激元效应之外，我们用数值方法证明了在红外波段MoS 2的巨大的BIC激发的二阶非线性极化率$10^{-5}$ ~ $m/V$。在我们的研究中的新颖之处在于存在的量子振荡器，可以通过抑制和增强的非线性准BIC。这种可选择的基于非线性BIC的抑制和增强效应可以可选地阻挡不期望的模式，从而导致更窄的线宽以及更小的量子衰减率，这在慢光相关技术中也是有希望的。
2020-11-11 physics.optics
Control of chirality and directionality of nonlinear metasurface light source via twisting
针对传统超表面无法原位动态调控的问题，本研究提出扭转多层非线性超表面结构，通过调控扭转角和层间间距及打破系统对称性，实现非线性光源偏振与方向性的多维调控，为多个光学领域提供新方向。
2024-10-09 physics.optics
Enhanced third-harmonic generation induced by nonlinear field resonances in plasmonic-graphene metasurfaces
非线性超颖表面提供了新的范例，以提高光学效应超越传统材料的限制。在这项工作中，我们提出了一种替代方法来产生显着的三次谐波产生（THG）的基础上非线性场共振，而不是线性场增强，这是一个典型的战略，实现强非线性响应。通过设计和研究一种在太赫兹波段具有混合导模和连续模束缚态的非线性等离子体-石墨烯超颖表面，发现由于产生的弱三次谐波场与这些模之间的强共振，可以观察到具有窄带宽的三次谐波。这种强的非线性场共振极大地增强了光子-光子相互作用，从而导致整个系统的大的有效非线性系数。这一发现为非线性光学超颖表面的研究提供了新的契机。
2020-04-14 physics.app-ph physics.optics
Resonant Semiconductor Metasurfaces for Generating Complex Quantum States
量子态工程是量子光子技术的基石，主要依赖于自发参量下转换和四波混频，其中一个或两个泵浦光子衰减成光子对。这两种非线性效应都需要动量守恒（即，相位匹配），这极大地限制了所得到的量子态的通用性。非线性超颖表面，由于其亚波长厚度，放宽了这一限制，并扩展了量子态工程的边界。在这里，我们通过在具有高质量共振的半导体超颖表面中的自发参量下转换产生纠缠光子。通过增强量子真空场，我们的超颖表面在多个选定波长的窄共振带内增强了光子对的发射。由于放松的动量守恒，相同的共振支持从几乎任何能量的泵浦光子产生光子对。这使得能够产生复频率复用的量子态，特别是簇态。我们的研究结果证明了超颖表面在量子态工程中的多功能用途。
2022-04-21 physics.optics quant-ph
Quantum-Well-Metasurface to Maximize Nonlinear Polarization
Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University（哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院）；Department of Materials, ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院材料系）；Microelectronics Research Center and Electrical and Computer Engineering Department, The University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校微电子研究中心及电气与计算机工程系）
本文通过设计GaAs/AlGaAs异质结构与高品质因子介电超材料，优化非线性极化率，实现1.57微米波长下1.6 nm/V的二次非线性张量元素，通过超材料提升至14 nm/V，展示出在近红外到可见光谱范围内的大有效非线性。
2026-04-16 physics.optics
Quantum CZ Gate based on Single Gradient Metasurface
本研究提出基于单梯度超构表面的量子CZ门实现方案，利用其平行分束与偏振控路径特性，可在同一块超构表面实现多种构型及编码方式的CZ门，提升量子器件集成度，为超构表面集成量子逻辑功能奠定基础。
2024-05-16 physics.optics quant-ph
Metasurface interferometry towards quantum sensors
光学超颖表面为集成量子技术的精确波前控制开辟了新的途径。在这里，我们展示了一个混合集成的量子光子系统，能够纠缠和解开双光子自旋态在介电超颖表面。通过在纳米结构的电介质超颖表面处干涉单光子对，产生具有圆偏振的路径纠缠双光子NOON态，其表现出86 $\pm$ 4%的量子HOM干涉可见度。此外，我们证明了非经典性和相位灵敏度在基于超颖表面的干涉仪的条纹可见度为86.8 $\pm$ 1.1%的符合计数。这种高可见性证明了干涉仪内部的超颖表面诱导的路径纠缠。我们的研究结果为混合集成量子技术提供了一种很有前途的方法，该技术在成像，传感和计算等各种应用中具有高维功能。
2019-08-14 physics.optics quant-ph
Monoclinic nonlinear metasurfaces for resonant engineering of polarization states
本文提出采用单斜晶格手性超表面与非手性超原子，在线性和非线性区域通过三次谐波共振实现线偏振光到椭圆偏振光的转换，并揭示输入偏振角与晶格手性响应对转换的关键作用。
2025-03-28 physics.optics
Electro-optically Modulated Nonlinear Metasurfaces
本研究提出利用电光效应电调制铌酸锂超表面二次谐波产生的新方法，通过制备纳米孔阵列超表面并施加电场实现折射率改变与SHG强度调制，为相关非线性光学领域发展提供参考。
2024-04-11 physics.app-ph physics.optics
Nonreciprocal total cross section of quantum metasurfaces
由于非线性散射体之间的经典相互作用而产生的非互易性，为量子信息处理和量子计算提供了一种很有前途的控制激发转移的方法，因而受到量子学界的广泛关注。在这项工作中，我们探讨了实现由两个平行的二能级原子周期阵列形成的一对量子超颖表面的大部分非互易总截面的可能性。我们表明，大的非互易响应可以在这样的非线性系统中通过控制原子的位置和它们的跃迁频率，而不需要的环境中，原子被放置是非互易的。我们证明了这种效果与人口的缓慢衰减的暗态，这是至关重要的，以获得大的非互易响应的连接。
2022-12-07 physics.optics quant-ph
Nonlinear chiral metasurfaces based on structured van der Waals materials
本文首次将纳米结构范德华材料用于非线性手性光子学，利用准连续域束缚态使 hBN 超表面三次谐波增强三个数量级，并实现强非线性圆二色性。
2024-08-15 physics.optics
Multiply-resonant Second-harmonic Generation using Surface Lattice Resonances in Aluminum Metasurfaces
非线性超材料显示出实现平坦非线性光学器件的潜力，但通常缺乏可实现的转换效率。最近的工作集中于通过利用高品质因数共振来增强非线性过程，例如在周期性金属纳米颗粒阵列中发生的被称为表面晶格共振（SLR）的集体响应。在这里，我们调查如何色散性质的SLR影响的SLR支持超颖表面的非线性响应。特别是，我们测量从铝纳米颗粒阵列的二次谐波产生，并证明，通过倾斜样品沿两个正交方向，样品可以多共振的几个泵和二次谐波信号波长组合。表征的超颖表面估计表现出0.40 pm/V的二阶磁化率值，表明铝作为非线性超颖表面的潜在材料。
2021-06-28 physics.optics
Electro-Optical Switching in a Nonlinear Metasurface
本文展示了一种结合电学和光学切换的高可调谐非线性超表面器件，通过电可调混合石墨烯-金等离激元将中红外脉冲转换为可见光，实现了比纯石墨烯强3.5倍的电学调制和太赫兹速率的全光切换，为超快信号处理等新应用开辟了道路。
2024-07-23 physics.app-ph physics.optics
All-optical control of nonlinear emission from resonant metasurfaces
The Australian National University（澳大利亚国立大学）；Friedrich Schiller University Jena（耶拿弗里德里希·席勒大学）；Nottingham Trent University（诺丁汉特伦特大学）
本文提出一种超薄超材料平台，通过全光控制实现非线性功能动态重构，利用液晶分子在共振超材料中的光学扭矩调控，实现可调多项式非线性转移函数，揭示了模式结构与非线性发射的相互作用。
2026-04-04 physics.optics
Nonlinear chiral light generation from resonant metasurfaces
本研究提出一种通用机制，通过共振超表面实现非线性手性光的产生与调控，实验上实现了DNC从-0.86到0.94的连续调谐及3.2飞秒的超快切换，显著提升了手性调控灵敏度。
2025-09-08 physics.optics
Inverse Design of an All-Dielectric Nonlinear Polaritonic Metasurface
针对高维非线性光子器件设计难题，提出基于拓扑优化的逆向设计方法，设计了包含量子工程共振非线性半导体异质结构的鲁棒非线性超表面，实现高效定向二次谐波产生，并发现非线性模态重叠是增强转换效率的主导参数。
2024-09-26 physics.optics
Nonlinear bicolor holography using plasmonic metasurfaces
非线性超颖表面全息显示了超颖表面在控制光的相位、振幅和偏振同时转换光的频率方面的巨大潜力。定制相干光束的散射特性以及源自超原子的非线性信号的散射特性的可能性促进了光束成形应用中的巨大自由度。最近，几种方法表明，虚拟物体或任何类型的光学信息可以在与激光输入光束不同的波长处产生。在这里，我们展示了一个单层的非线性几何相位元表面的等离子体纳米结构的同时产生的第二和第三谐波。与以往的工作不同，我们展示了一个双色全息图与不同类型的纳米结构，通过不同的非线性光学过程产生的颜色信息。两个谐波信号的振幅比可以根据纳米结构的共振以及入射激光束的功率和波长来调整。在傅立叶空间中，使用单个近红外波长在具有相等振幅的可见波长处重建双色全息图像。同时使用多个非线性过程的非线性全息术为全息彩色显示应用、增强的光学加密方案和多路复用光学数据存储提供了另一种途径。
2021-03-02 physics.optics
Externally driven nonlinear time-variant metasurfaces
共振光子纳米结构具有增强的非线性响应和高效的频率转换，是非线性光学领域的一个新兴平台。具有快速调谐的高Q谐振的高折射率半导体超颖表面实现了一类新颖的时变超颖表面，这扩展了纳米级颜色管理的工具箱。在这里，我们报告的动态控制的非线性光学响应的时变半导体超颖表面支持高品质因数共振在近红外光谱范围内。在负的泵浦-探测时间延迟下对锗超颖表面的泵浦-探测测量揭示了基频光的频率转换和10 nm（3.05 $ω$）的蓝移以及由于光致时变折射率引起的三次谐波信号的40%展宽。与实验数据非常吻合的时变耦合模理论验证了系统的时变性质。我们的发现扩大了时变超颖表面的范围，并可能作为下一代纳米级脉冲整形器，光开关和光源的基础。
2020-12-11 cond-mat.mes-hall physics.optics
Nonlinear chiral response from linearly achiral membrane metasurfaces
本文实验证明线非手性硅膜超表面在三次谐波产生中可表现出强非线性圆二色性，通过面内对称性破缺可调控其符号与大小，为设计非线性手性超器件提供了新途径。
2025-08-18 physics.optics
Nonlinear Mid-infrared Metasurface based on a Phase-Change Material
中波红外（MWIR）光谱区域（3-5 μm）对于成像、传感、光谱学、外科手术和光通信中的各种应用都很重要。高效的三次谐波产生（THG），将光从MWIR范围转换为近红外，这是一个具有成熟光学检测和操纵技术的区域，为减轻当前MWIR系统的普遍公认的限制提供了机会。在这项工作中，我们提出的可能性，提高THG中的MWIR通过超表面设计。具体而言，我们证明了30倍的增强，在高度非线性相变材料Ge 2Sb 2Se 4 Te 1（GSST），通过图案化阵列的亚波长圆柱体支持磁偶极共振。前所未有的宽带透明度，大折射率，和显着高的非线性响应，加上独特的相变特性，使基于GSST的超颖表面的可重构和超紧凑的非线性器件在MWIR中工作的一个有吸引力的解决方案。
2020-08-31 physics.optics
Degenerate spontaneous parametric down-conversion in nonlinear metasurfaces
本文提出利用非线性超表面中P/S偏振准导模带交叉与选择定则增强简并自发参量下转换，并通过非共线二次谐波逆过程经典评估效率，在球体单层模型中验证了方案有效性。
2023-11-16 physics.optics
