清华大学周济院士团队：在线性材料中实现高效非线性光学响应的普适性途径 | NSR
以下文章来源于中国科学杂志社 ，作者《国家科学评论》
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近日，《国家科学评论》（National Science Review, NSR）发表了清华大学周济院士团队的研究成果，该研究团队基于超材料构建的局域磁电强耦合，提出一种在线性材料中产生高效非线性光学响应的普适性新方法，并在此基础上，首次实现室温硅基太赫兹二次谐波产生。清华大学文永正副研究员为论文第一作者，周济院士为通讯作者，主要合作单位还有中科院物理所、瑞士保罗谢尔研究所（PSI）、德国亥姆霍兹研究中心（HZDR）、加拿大国立科学研究院（INRS）等。
图1 基于超材料的太赫兹二次谐波产生原理示意图。
非线性材料现代光学和电子学基石，但其非线性响应强烈依赖特定材料的固有属性。尤其是效率最高、应用最为广泛的二阶非线性对于材料非对称晶格的要求，极大的限制了其在诸多中心对称材料（例如，硅）和具有重要应用潜力的光学波段（例如，太赫兹）中的应用。
针对这一长期难以解决的问题，该研究团队通过超材料构建局域磁电强耦合，创新性的在固体中实现了非线性汤姆逊散射过程，该过程通常被认为只有近光速真空电子体系中才能实现。由于这一新的非线性机制源自电子与电磁场直接的相互作用，不依赖任何特殊的材料性质，因此理论上适用于各种固体材料以及绝大部分的光谱范围。作为示范，研究团队基于该机制制备了硅基超材料，并在室温下实现了太赫兹波段的二次谐波产生，在中心对称材料上实现了常规非线性材料尚难以获得的非线性响应，为填补非线性光学的太赫兹空白提供了有效方案。而且，得益于固体材料中的高电子密度和超材料局域场增强，使得非线性汤姆逊散射过程所需的激光功率较常规方案降低了10个数量级，有望成为强场光与物质相互作用研究的新平台。
图2 基于超材料的太赫兹二次谐波产生。（a）不同太赫兹场强下的超材料透射谱；（b）超材料局域洛伦兹力分布；（c）太赫兹二次谐波产生；（d）太赫兹二次谐波强度与样品温度关系。
作为一种不依赖材料或频率的普适性光学非线性材料实现新方法，该研究有望为非线性光学系统、太赫兹辐射源、强场光学和集成光电子学等领域的发展开辟诸多新可能。
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