Controllable Raman-like nonlinearities from non-stationary cascaded quadratic processes
我们发现，有用的非瞬时非线性相移可以从级联的二次过程中存在的群速度失配。该过程的双场性质允许响应可以相对于其中一个场在时间上有效地提前或延迟。有一个类比广义拉曼散射效应，允许红色和蓝移的短脉冲。我们期望这种能力有许多应用在短脉冲的产生和传播，如拉曼诱导效应的补偿和高质量的脉冲压缩，我们讨论。
2003-10-07 physics.optics
Computational inverse design for cascaded systems of metasurface optics
超表面是一种新兴技术，可能会取代成像设备、显示器和精密科学仪器中的许多传统光学器件。在这里，我们开发了一种方法，用于设计由多个独特的超颖表面按顺序排列的光学系统。我们的方法是基于计算逆设计，也被称为伴随梯度法。该技术能够并行优化数千或数百万个独立的设计变量，用户只需很少或根本不需要干预。为了证明我们的方法的广泛适用性，我们用它来设计一个消色差的双重元表面透镜，光谱复用全息元件，和一个超紧凑的光学神经网络分类手写数字。
2019-06-25 physics.app-ph physics.optics
Frequency comb generation via cascaded second-order nonlinearities in microresonators
光学频率梳正在革新现代时间和频率计量学。在过去的几年里，由于通过基于微谐振器的解决方案实现了小型化，其应用范围大幅增加。这种器件中的梳通常使用谐振器材料的三阶$χ^{(3)}$非线性产生。另一种方法是利用二阶$χ^{(2)}$非线性。虽然以这种方式产生梳的想法已经存在了近二十年，但到目前为止，只有少数演示是已知的，要么是基于庞大的蝴蝶结腔，要么是基于相对低的$Q$波导谐振器。在这里，我们提出了第一个这样的梳，是基于毫米大小的微谐振器由锂碳酸盐，允许级联的二阶非线性。这款概念验证器件的泵浦阈值低至2 mW，可在1064 nm和532 nm附近产生重复频率锁定梳。从非线性动力学的角度来看，所观察到的梳对应于图灵辊图案。
2019-12-03 physics.optics
Optical secret sharing with cascaded metasurface holography
秘密共享是用于存储高度敏感的信息（如编码数据的加密密钥）的完善的密码原语。它描述了将一个秘密分成不同份额的问题，而不向其股东透露有关该秘密的任何信息。在这里，我们展示了一个全光学的解决方案，秘密共享的基础上元表面全息。在我们的概念中，超表面全息图被用作空间上可分离的共享，其以全息图像的形式携带加密消息。其中两个份额可以通过将它们靠近在一起而重新组合。穿过这一叠超颖表面的光积累了两个全息图的相移，并且可以高保真地光学重建秘密。另一方面，由单个元表面生成的全息图可以用于识别每个股东。此外，我们证明了两个堆叠的超颖表面全息图之间的固有平移对准灵敏度可以用于空间复用，其可以进一步扩展以实现光学标尺。
2021-10-07 cs.CR physics.optics
Cascaded Metasurface Interferometer for Multipath Interference with Classical and Quantum Light
Paderborn University（帕德博恩大学）；Beijing Institute of Technology（北京理工大学）；Johannes Kepler University（约翰内斯·开普勒大学）；Julius-Maximilians-University of Würzburg（维尔茨堡朱利叶斯-马克西米利安大学）；Vorarlberg University of Applied Sciences（福拉尔贝格应用科学大学）；Sapienza Università di Roma（罗马大学）；Karlsruhe Institute of Technology（卡尔斯鲁厄理工学院）
本文设计了基于超材料的多端口光束分束器，并通过级联结构实现多模干涉，展示了在经典和量子光中的可控分裂比和光子关联性。
2026-03-26 physics.optics quant-ph
Characterization of a Displaced Coaxial Feed for Cascaded Cylindrical Metasurfaces
本文针对同心级联圆柱超表面的偏心同轴馈源，利用 Hankel 函数加法定理推导其多模 S 矩阵快速计算公式，并结合多模波矩阵理论支持任意场变换器件设计。
2024-07-22 physics.app-ph physics.class-ph physics.optics
Field Synthesis with Azimuthally-Varying, Cascaded, Cylindrical Metasurfaces using a Wave Matrix Approach
针对圆柱共形超表面研究少、几何复杂的问题，提出采用波矩阵方法建模级联方位变化圆柱超表面的高阶耦合，可高效合成场变换所需非均匀导纳，在天线与隐身领域有应用潜力。
2022-11-02 physics.app-ph physics.optics
Mid-infrared frequency comb generation via cascaded quadratic nonlinearities in quasi-phase-matched waveguides
我们实验证明了一种简单的配置，中红外（MIR）频率梳产生准相位匹配的锂酸盐波导中使用的级联- $χ^{(2)}$非线性。利用铒光纤激光器产生的纳焦耳级脉冲，在近红外波段观察到了倍频程超连续谱，在2.5- 3 $\textμ$ m波段产生色散波，在4- 5 $\textμ$ m波段产生脉冲内差频。通过设计准相位匹配光栅轮廓，在这种几何结构中观察到可调谐的窄带和宽带MIR光谱。最后，我们进行数值模拟使用非线性包络方程，这表明与实验良好的定量协议-并可用于通知波导设计，以定制的MIR频率梳。我们的研究结果确定了一个简单的单分支的方法，在一个紧凑的平台，使用商业Er：光纤技术中红外频率梳产生的路径。
2018-01-24 physics.optics
Nonlinear Phase Control and Anomalous Phase Matching in Plasmonic Metasurfaces
超表面，特别是包含基于等离子体的金属元素的超表面，构成了一组特别有吸引力的材料。借助于现代纳米光刻制造技术，可以构造平坦的、半透明的光学元件。然而，尽管它们具有很强的光学非线性，等离子体超颖表面到目前为止主要是在线性范围内进行研究。在这里，我们介绍了全非线性相位控制超颖表面等离子体元素。我们发现，在一个相位梯度非线性超颖表面的非线性相互作用的一个新的异常非线性相位匹配条件普遍存在，这是线性超颖表面的广义Snell定律证明的非线性模拟。该相位匹配条件与其它已知的相位匹配方案非常不同。光学非线性的亚波长相位控制为基于超颖表面的平面非线性光学元件的设计提供了基础。我们展示的平面非线性元件（即透镜）作为频率转换信号的发生器和操纵器。
2015-05-21 physics.optics
Electrically switchable $2^N$-channel wave-front control with N cascaded polarization-dependent metasurfaces
提出 N 级联双通道超表面结构实现 $2^N$ 个无串扰的电可切换波前控制通道，并通过 3 层装置成功演示 8 通道的涡旋光束生成与光束偏转，显著提升了偏振复用超表面的可扩展性。
2024-05-27 physics.app-ph physics.optics
Interference Induced Complex Nonlinearities in Metal-ITO Metasurfaces
本文通过建模与实验揭示金属-ITO超表面中SHG/THG的复有效非线性系数源于金属、ITO及界面非线性源的相干干涉，证明色散χ²和复系数对匹配光谱与角度图案不可或缺，从而无需依赖ENZ场增强即可统一解释其非线性发射。
2025-09-21 physics.optics
Scaling laws for soliton pulse compression by cascaded quadratic nonlinearities
研究了体二次非线性介质中基于相位失配二次谐波产生（\textit{i.e.}，级联二次非线性）的超短脉冲孤子压缩。给出了包含高阶非线性项的时域单周期传播方程。二次（SHG）和立方（克尔）非线性之间的平衡起着至关重要的作用：我们定义了一个有效的孤子数-SHG和克尔孤子数之间的差异相关-并表明，它必须大于单位成功的脉冲压缩发生。这要求相位失配低于临界水平，该临界水平在二次非线性超过三次克尔非线性占主导地位的材料中是高的。通过大量的数值模拟，我们发现无量纲标度律，表示通过有效孤子数，控制的压缩脉冲的行为。这些法律在固定制度，其中群速度失配的影响是小的，他们是类似的光纤孤子压缩机所观察到的。数值模拟结果表明，在适当的波长下，$β$ -硼酸钡晶体可以获得低于两个光周期的干净压缩脉冲，甚至对于皮秒输入脉冲也是如此。
2007-08-20 physics.optics
Few-cycle optical solitary waves in cascaded-quadratic-cubic-quintic nonlinear media
研究了在二次、三次和五次非线性共同作用下，大相位失配二次谐波（SHG）过程中少周期光学孤立波在非线性介质中的传播。在慢变包络近似下，给出了级联二次介质非线性演化方程的亮孤子和暗孤子的精确解。通过数值模拟验证了所获得的解析解。
2014-01-15 physics.optics
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
General lossless polarization and phase transformation using bilayer metasurfaces
元表面光学元件能够以亚波长分辨率进行波前控制和偏振操纵。由诸如矩形纳米柱的线性双折射超原子制成的超表面通常用于控制相位和偏振，但是这些超原子的单层不能实现具有椭圆偏振或圆偏振本征态的变换（即，手性转化）。这里，示出了包括线性双折射超原子的两个级联超表面层提供了足够多的自由度来实现任意单一相位和偏振变换。描述了一种用于这种超结构的系统设计方法，并用于设计不能由单层双折射超原子实现的双焦点超透镜。所提出的设计和实现技术介绍了一种系统的方法，实现最一般形式的无损偏振和相位转换，使用超颖表面，具有高效率。
2022-03-31 physics.optics
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 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
Using system-reservoir methods to derive effective field theories for broadband nonlinear quantum optics: a case study on cascaded quadratic nonlinearities
针对宽带量子光学系统复杂动力学难分析的问题，提出结合子系统近似对角化与主方程的微扰框架，以级联二阶非线性为例推导有效场论，验证了系统-库方法的实用性。
2023-11-06 physics.optics quant-ph
Optimal third-harmonic generation in an optical microcavity with $χ^{(2)}$ and $χ^{(3)}$ nonlinearities
三次谐波的产生可以通过三次谐波谐振微腔中的$χ^{(3)}$和级联的$χ^{(2)}$非线性过程来实现。这些过程如何相互干扰仍然是未知的，并且转换效率的优化仍然是一个问题。本文研究了直接三次谐波产生与二次谐波和和频级联过程之间的相互影响。发现这两个过程之间的干涉效应可以用来提高转换效率。通过优化谐振腔谐振和外耦合条件，缓解了非线性转换的饱和，提高了三次谐波转换效率。提出了在光学微腔中实现高效率三次谐波产生的设计准则，并将其推广到高次谐波的产生。
2018-07-10 physics.optics
Temporal Signal Processing with Nonlocal Optical Metasurfaces
本文利用具有时间非局域性的超表面实现深度亚波长尺度的时域信号处理，展示了高保真、高效率的一阶微分，并支持扩展与级联计算，为全光计算器件开辟新途径。
2024-03-14 physics.optics
All-optical scattering control in an all-dielectric quasi-perfect absorbing Huygens metasurface
本文在硅基准完美吸收惠更斯超表面上，通过光热效应实现了对前向和后向散射的全光动态控制，后向散射截面加倍而前向减半，为硅光子器件提供了新方案。
2022-10-03 physics.optics
Decoupling Optical and Thermal Responses: Thermo-optical Nonlinearities Unlock MHz Transmission Modulation in Dielectric Metasurfaces
该研究揭示a-Si介质超表面中光驱动热光非线性可解耦热与光学响应，实现大幅、可逆且达MHz速率的全光透射调制。
2024-12-01 physics.app-ph physics.optics
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
Resonantly tunable second harmonic generation from lithium niobate metasurfaces
二次谐波（SHG）是一种相干非线性现象，在激光颜色转换中起着重要的作用。锂酸锂（LN）具有大的禁带宽度和突出的二阶非线性，是一种重要的非线性频率转换材料，其光谱范围从紫外到中红外。在这里，我们实验证明LN超颖表面具有可控的SHG性能。在米氏共振处观察到SHG效率的明显增强。通过改变超颖表面的几何参数以及共振，我们能够选择性地提高不同波长下的SHG效率。我们的研究结果将为开发高灵活性的新型紧凑型非线性光源的应用，如生物传感和光通信铺平了道路。
2020-10-26 physics.optics
Spectro-Polarimetric Holographic Multiplexing Metasurface with Super-High Capacity Empowered by Mechanical Rotation
针对机械可重构超表面的光学信息复用需求，提出可微逆设计框架，通过深度神经网络端到端优化可旋转超表面，实现288通道全彩动态全息显示，为相关光学应用提供新范式。
2025-11-16 physics.optics
High-harmonic generation from metasurfaces empowered by bound states in the continuum
连续介质中的光学束缚态（BIC）的概念支持了嵌入辐射光谱中的强局域波的存在，这种波可以增强亚波长光子结构中的电磁场。早期对波导和光子晶体中光学BIC的研究揭示了它们的拓扑性质，准BIC超颖表面的概念促进了强光-物质相互作用在生物传感、激光和低阶非线性过程中的应用。在这里，我们采用BIC授权的电介质超颖表面，以有效地产生高达11阶的高光学谐波。我们优化的BIC模式的前几个谐波和观察微扰和非微扰非线性制度之间的过渡。我们还提出了一个一般性的策略，用于设计具有强共振和非微扰非线性的亚波长结构。我们的工作在亚波长尺度上架起了微扰和非微扰非线性光学领域的桥梁。
2020-08-26 physics.optics
Experimental study of the effect of phase mismatch on a CW-pumped cascaded quadratic nonlinear frequency comb
通过连续波泵浦的级联二次非线性（CQN）产生的光学频率梳似乎是一种很有前途的替代方案，以完善的锁模激光器，特别是如果需要访问中红外光谱区域。本文报道了一种基于二次谐波产生（SHG）的CQN频率梳的光谱特性的实验研究。我们的研究集中在倍频相位失配，这引起了很少注意，在以前的报道CQN频率梳的研究。我们的研究的主要观察是，它是可能的，以提高频谱纯度的CQN频率梳通过调整相位失配。除了在近红外区域产生频率梳的CQN过程之外，我们的实验装置还涉及其他几个非线性过程。这些过程导致了复合梳，从可见光到中红外线。
2020-04-16 physics.optics
Optical Cherenkov radiation by cascaded nonlinear interaction: an efficient source of few-cycle energetic near- to mid-IR pulses
在块体Li_2O_3晶体中产生超快非临界级联二次谐波飞秒脉冲时，在近红外和中红外波段形成了切伦科夫光学波。数值模拟表明，在$λ_1=1.2-1.8\mic$泵浦下，少周期孤子辐射出$λ=2.2-4.5\mic$波段的切伦科夫（色散）波。精确的相位匹配点依赖于孤子的波长，我们表明，一个简单的长通滤波器可以分离的切伦科夫波的孤子。切伦科夫波是一种周期数少、脉冲形状良好的高斯波，转换效率高达25%。因此，光学切伦科夫波形成的级联非线性可以成为一个有效的能源近中红外几个周期的脉冲。
2011-09-02 physics.optics
Nonlinear van der Waals metasurfaces with resonantly enhanced light generation
实验研究3R-MoS2超表面二次谐波产生，揭示共振耦合机制，实现>150倍信号增强并预测10^6倍增强，为超紧凑非线性光子器件铺路。
2024-10-14 physics.app-ph physics.optics
Polarization-controlled dynamically switchable high-harmonic generation from all-dielectric metasurfaces governed by dual bound states in the continuum
定制光学非线性效应（如谐波产生、和频混频等）在最近出现的全介质平台中，对于高效、超快和小型化光子器件的基础科学和工业发展都是重要的。在这项工作中，我们提出了一种新的范例，通过利用偏振控制的双束缚态在连续（BIC）的硅纳米二聚体超颖表面的动态切换高谐波产生。由于BIC共振的高品质因数，从直接过程以及通过简并四波混频的级联过程获得包括三次谐波产生和五次谐波产生的有效谐波信号。此外，可以相对于基本泵激极化以高选择性打开或关闭BIC及其共振增强谐波。与以前的报道相比，我们的工作提供了一个简单而有效的调谐策略，充分利用结构的对称性和偏振自由度，而不是诉诸于额外的外部刺激，这将有很大的优势，智能设计可调谐和可切换的非线性光源芯片级应用。
2022-03-11 physics.optics
Optomechanics of chiral dielectric metasurfaces
电磁场与机械自由度的耦合最近显示出特殊的和创新的应用，最终导致介观光学机械设备在量子运动机制中运行。与此同时，微机械元件提供了新的方法来增强和操纵无源光子元件的光学特性。根据这一概念，在这篇文章中，我们将展示如何结合手性超颖表面与GaAs悬浮微膜可以提供新的方案，用于控制近红外线光束的偏振态。从手性超颖表面静态实现目标偏振态和圆二色性和线性二色性的不寻常属性开始，我们报告了机械诱导的~300 kHz偏振调制，在速度方面，与液晶商业设备相比，这是有利的。此外，我们演示了如何机械共振可以通过由腔内光子触发的热弹性效应的输入光偏振（和手性状态）的非平凡的影响。这项工作开创了偏振光学力学领域，可以为快速偏振器件，偏振调制器和动态可调谐手性态发生器和检测器铺平道路，以及获得新形式的偏振非线性和控制。
2018-10-03 physics.optics
Transient perturbative nonlinear responses of plasmonic materials
最近对等离子体材料的光学非线性的研究表明，它们的响应甚至可能超出通常的微扰描述。为了更好地理解这些令人惊讶的强响应，我们在这里开发了一个简单但通用的方法来描述等离子体材料的非线性光学响应高达$n$ th微扰阶。我们应用该方法来理解共振超颖表面中发生的光谱展宽，并研究多共振超颖表面产生高次谐波的增强，预测高次谐波的增强超过百万倍。
2020-05-05 physics.optics
Resonantly enhanced second-harmonic generation using III-V semiconductor all-dielectric metasurfaces
纳米结构材料中的非线性光学现象一直在挑战我们对自激光发明以来一直在探索的非线性光学过程的看法。例如，与体材料相比，几乎独立地控制光场限制、增强和散射的能力允许非线性频率转换效率提高许多数量级。此外，亚波长长度尺度使得相位匹配问题无关紧要。与等离子体纳米结构相比，介电谐振器超材料由于其更大的模体积而在增强非线性光学过程方面显示出巨大的潜力。在这里，我们提出，第一次，共振增强二次谐波产生（SHG）使用砷化镓（GaAs）为基础的介电超颖表面。使用阵列的圆柱形谐振器，我们观察到的SHG增强因子高达104相对于未图案化的GaAs。在磁偶极共振条件下，我们测量到在泵浦强度为3.4 GW/cm 2时的绝对非线性转换效率为~ 2 × 10 ^（-5）。的二次谐波的偏振特性表明，体和表面的非线性起着重要的作用，在所观察到的非线性过程。
2016-08-15 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
Infrared Beam-shaping on Demand via Tailored Geometric Phase Metasurfaces employing the Plasmonic Phase-Change Material In3SbTe2
本文利用相变材料In3SbTe2的激光诱导绝缘体-金属转变，通过直接激光写入快速制造大面积几何相位超表面，实现红外光束偏转、聚焦、轨道角动量光束及多功能全息等按需光束整形。
2024-08-09 physics.app-ph physics.optics
Photoinduced giant modulation of terahertz nonlinearity from metasurfaces
Tsinghua University（清华大学）；Wuzhen Laboratory（乌镇实验室）
通过光调控半导体超材料的谷自由度，实现太赫兹非线性调制，达到超大调制深度，为超快太赫兹信号处理和全光计算提供新方法。
2025-11-27 physics.optics
Dispersion Control of Chiral Exciton-Polariton Transport with Dielectric Metasurfaces
Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）；National Tsing Hua University（国立清华大学）
该研究利用硅超表面的手性光-物质耦合，实现有机手性激子-极化激元的选择性传输，其不对称因子达0.93，传播距离超50μm，较裸激子提升3个数量级，为自旋选择性极化激元技术奠定基础。
2026-08-12 physics.optics
Terahertz-induced cascaded interactions between spectra offset by large frequencies
我们探讨了系统的动力学，其中输入光谱在光域中具有非常不同的中心频率强烈耦合通过高度相位匹配，级联的二阶非线性过程驱动的太赫兹辐射。唯一的要求是输入频谱之一包含足够的带宽以生成相位匹配的太赫兹频率驱动器。输入光谱之间的频率分离可以比相位匹配的太赫兹频率大十倍以上。介绍了这种系统的一个实际应用，其中中心波长为1064 nm的窄带泵浦线由一组中心波长约为1030 nm的较弱的种子线引起级联，这些种子线之间由相位匹配的太赫兹频率隔开。这种方法被预测为产生太赫兹辐射的转换效率和毫焦耳级的脉冲能量在低温冷却的周期性极化的锂离子电池。一个模型，解决了太赫兹和光波的非线性耦合相互作用。计算占二阶和三阶非线性，在光学和太赫兹域的色散以及太赫兹吸收。脉冲格式的激光诱导损伤的分歧估计通过跟踪产生的自由电子密度。还概述了减轻激光损伤的策略。
2019-03-11 physics.optics
Designing microstructured polymer optical fibers for cascaded quadratic soliton compression of femtosecond pulses
计算了折射率引导型微结构聚合物光纤的二次谐波色散。二次非线性被假定为来自极化的聚合物，这在这项研究中被选择为环烯烃共聚物Topas。我们发现泵浦和二次谐波之间存在很大的相位失配。因此，潜在的级联二次谐波产生的研究，特别是孤子压缩的fs脉冲。我们发现，从级联的二次非线性的时间孤子的激发需要一个有效的二次非线性为5 pm/V或更多。如果使用具有低克尔非线性折射率的聚合物，这可能会减少。我们还发现，群速度失配可以最小化，如果选择的微结构光纤的设计参数，使相对孔尺寸大，孔间距是在泵浦波长的顺序。几乎所有的设计参数的组合导致级联效应在稳定的制度，在那里可以找到有效的和干净的孤子压缩。因此，我们没有看到任何好处，选择光纤设计的群速度失配最小化。相反，数值模拟表明，使用相对孔尺寸为0.4的标准无休止单模设计，具有nJ脉冲能量的$λ=800$ nm 120 fs脉冲被出色地压缩到几个周期的持续时间。
2008-11-18 physics.optics
Controlling spatiotemporal nonlinearities in multimode fibers with deep neural networks
多模光纤中的时空非线性相互作用对于通过利用从准连续波到以可见光到红外泵浦波长为中心的超短脉冲的不同泵浦机制的非线性传播来进行光束整形和频率转换是感兴趣的。多模光纤中的非线性效应强烈地依赖于激发条件，然而关于这一课题的研究报道相对较少。在这里，我们提出了第一种机器学习方法，通过深度神经网络定制激励条件来学习和控制多模光纤内部的非线性频率转换。利用实验数据训练深度神经网络，以学习泵浦脉冲的空间光束轮廓与光谱生成之间的关系。对于不同的用户定义的目标光谱，网络建议的光束形状的应用和控制级联拉曼散射和超连续谱产生过程实现。我们的研究结果提出了一种新的方法来调谐宽带光源的光谱。
2019-09-23 physics.optics
Ultrathin 3R-MoS$_2$ metasurfaces with atomically precise edges for efficient nonlinear nanophotonics
该研究利用自上而下光刻与各向异性湿法刻蚀制备具有原子级精确边缘的超薄3R-MoS$_2$三角形纳米孔超表面，并通过q-BIC实现SHG超三个数量级增强。
2024-10-28 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Cascaded forward Brillouin scattering to all Stokes orders
非弹性散射过程，如布里渊散射，往往可以在级联制度的功能，这是可能发生在某些集成的光声器件。我们发展了一个哈密顿形式的级联布里渊散射有效的量子和经典制度。通过将布里渊散射视为单个声学包络和单个光学包络的相互作用，覆盖所有斯托克斯和反斯托克斯阶，我们得到了一个紧凑的模型，非常适合于数值实现，扩展到包括其他光学非线性或短脉冲，以及在量子光学领域的应用。然后，我们从理论上分析了模内前向布里渊散射（FBS）的任意波导和没有光色散。在没有光学色散的情况下，我们找到了一个精确的解析解。利用微扰方法，我们进一步解决了弱色散的情况。我们的工作导致几个关键的结果内模式FBS。对于可忽略的色散，我们表明，级联的模内FBS的结果在一个纯相位调制，并讨论如何这需要具体的实验方法观察光纤为基础的和集成的FBS。此外，我们讨论了如何建立在这两类波导连接到彼此和腔光力学和拉曼散射的更广泛的背景下的描述。最后，我们得出了一个意想不到的惊人的相似之处FBS和波导阵列中的离散衍射现象，这使得FBS在量子光学的未来研究的一个有趣的候选人。
2016-08-25 physics.optics
Amplified up-conversion of electromagnetic waves using time-varying metasurfaces
ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems (TMOS), Research School of Physics, The Australian National University（澳大利亚国立大学变革性超光学系统卓越研究中心物理研究学院）；Instituto de Telecomunicações and Department of Electronics, Telecommunications and Informatics, University of Aveiro（阿威罗大学电信研究所电子、电信与信息系）
利用时变超材料实现微波和太赫兹波段电磁波的高效放大和频率转换，通过级联放大过程突破曼利-罗伊极限。
2026-08-17 physics.app-ph 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
Tunable and broadband coherent perfect absorbers with nonlinear and amplification performance based on asymmetric bifacial graphene metasurfaces
提出了一种非对称双面石墨烯超颖表面，实现了太赫兹（THz）波段的可调谐宽带相干完全吸收（CPA）。所提出的设计是由两个不同的石墨烯方形贴片超颖表面堆叠在一个介电基板。非线性CPA性能，而不诉诸光学非线性和放大的基础上发生的波干涉现象沿和内部的亚波长结构。在单波照明的情况下，得到了两个方向的宽带非对称反射。该响应充当所呈现的可调谐和宽带非线性CPA性能以及对吸收的逆响应（即，当附加的输入波与相反传播的入射波相干地相互作用时，放大。该器件有望成为光调制器、传感器、光电探测器和全光小信号放大器等新型片上太赫兹通信器件的重要组成部分。
2020-05-25 physics.app-ph physics.optics
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
Nonreciprocal metasurfaces with epsilon-near-zero materials
本研究展示了一种基于氧化铟锡介电常数近零区域的超快非互易超表面，工作在1200-1300纳米波段，实现幅度和相位非互易，为纳米尺度波前控制开辟新途径。
2025-01-23 physics.app-ph physics.optics
Metasurface-based all-optical diffractive convolutional neural networks
Nanchang University（南昌大学）；Chengdu University of Information Technology（成都信息工程大学）；Chinese Academy of Sciences（中国科学院）
本文提出一种基于元表面的全光学扩散卷积神经网络，通过光学卷积层与扩散神经网络的协同设计，实现光学域内的特征提取与优化，提升分类精度。
2025-12-05 physics.app-ph physics.optics
Multiple optical frequency-conversions in few-layer GaSe assisted by a photonic crystal cavity
虽然二维材料具有令人感兴趣的二阶非线性系数和电学可调谐性，但由于光耦合效率低和无法实现相位匹配，它们的原子层厚度阻碍了除二次谐波产生（SHG）之外的其他光学频率转换（OFC）的探索。我们报道了通过谐振泵浦集成了少层GaSe的光子晶体腔，即使使用微瓦级连续波泵浦，也可以在GaSe中实现多个二阶非线性过程，包括SHG、和频产生（SFG）、级联SFG及其诱导的三次谐波产生。这些OFC产生于显著的腔增强。SHG过程的增强因子估计超过1，300。级联的SFG具有与SHG相同的强度。据我们所知，这是第一次在二维材料中观察到级联的二阶非线性过程。这种腔辅助的OFC可以为研究二维材料中的确定性OFC提供一种低泵浦功率的视角，并将其光电应用扩展到非线性区域。
2018-08-14 physics.optics
Second harmonic generation from Chalcogenide metasurfaces via mode coupling engineering
介电超颖表面在纳米尺度下具有很强的场增强和很低的损耗，在非线性光学中有着重要的应用。硫系玻璃由于具有高的本征非线性，是一种很有前途的非线性观测材料。在这里，我们证明，实验和理论上，显着的二次谐波产生可以在非晶硫族化物基超颖表面内通过依赖于晶格和粒子共振之间的耦合。我们进一步表明，高品质因数共振的二次谐波产生的起源可以在很宽的波长范围内使用一个简单的和通用的制造方法进行调谐。所测量的二次谐波强度比来自沉积的硫属化物膜的二次谐波强度高几个数量级，并且比常规等离子体激元和基于硅的结构高三个数量级以上。通过简单和可扩展的技术制造，这些全介质架构是在柔性基板上设计平面非线性光学元件的理想选择。
2021-06-23 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.app-ph
Leveraging Multiplexed Metasurfaces for Multi-Task Learning with All-Optical Diffractive Processors
本文利用光的偏振和波长复用超表面构建多通道衍射神经网络，实现MNIST、FMNIST和KMNIST的多任务并行分类，并提出端到端联合优化框架提升三任务分类性能。
2024-11-20 physics.app-ph physics.optics
Four-wave mixing and secondary radiations generated by nonharmonic two-color filaments in air: Influence of the Kerr and plasma nonlinearities
Vilnius University（维尔纽斯大学）；Université de Bordeaux-CNRS-CEA（波尔多大学-CNRS-CEA）；The Extreme Light Infrastructure ERIC, ELI Beamlines Facility（极强光基础设施ERIC，ELI光束线设施）
本文通过实验和数值模拟研究了空气中非谐双色飞秒细丝产生的四波混频及二次辐射，分析了克尔和等离子体非线性在频率转换中的作用。
2026-05-28 physics.atom-ph physics.optics physics.plasm-ph
Ultra-fast Graphene-Plasmonic Hybrid Metasurface Saturable Absorber with Low Saturation Fluence
提出基于亚波长厚度石墨烯-等离子体混合超表面的饱和吸收体设计，通过激发纳米热点非平衡载流子，将饱和通量降低3个数量级并实现超快恢复，为低阈值紧凑型锁模激光器等应用提供新方案。
2023-05-20 physics.app-ph physics.optics
Photonic Crystal Fiber Metalens
光纤是一种公认的有效的方式来引导和操纵光，并允许高带宽的光传输，用于低衰减的长距离通信。虽然介质光波导对于传输光是有效的，但是其功能受到芯和包层材料的介电性质的限制。从光纤出来的光通常是发散的，并且数值孔径由光纤材料的折射率决定。因此，光强度在离开光纤时显著降低。超颖表面的使用提供了为先进的光操纵定制光特性和开发平坦的新颖光学应用的机会。通过使用空间变化的纳米天线元件产生特定的相位分布，超表面可以控制透射、反射和散射光的波前，并实现新颖的光学元件，例如平面透镜。在这里，我们报告了一种级联在光纤端面上的超透镜，它可以使光聚焦在电信领域。光纤中的超透镜的焦距为28和40 μ m，在1550 nm的波长处的最大效率为~16.4%。超透镜和光纤的集成将为革命性的光纤内光学器件开辟道路，用于光学成像，传感和光纤激光器的实际应用。
2019-03-27 physics.optics
