近日，华中科技大学武汉光电国家研究中心陈林教授课题组联合熊伟教授、北京大学张青研究员课题组，在双曲色散超材料宽带增强二次谐波产生的研究中取得新进展。该工作利用宽度渐变的梯形双曲色散超材料可在宽频范围内实现局域电磁场增强（“彩虹捕获效应”）的性质，实现了全彩色增强二次谐波产生。

非线性光学描述了光与物质相互作用中入射场与产生的对应场极化的非线性关系，是光学物理最基本的基础学科分支之一；同时，在激光技术、显微成像、材料科学、生物成像以及量子光学等方向都有重要的意义。

非线性效应源于激发场下的电磁场极化的高阶项，其响应通常很弱，需要严苛的相位匹配或准相位匹配条件以及足够的长度来增强非线性效应，这导致非线性器件常常体积较大，难以集成。

而超表面可以在亚波长的纳米结构中增强光与物质相互作用从而增强非线性，但这些超表面通常依赖于高品质因子的共振来实现场增强，它们在原理上是窄带的，因而限制了它们在宽带非线性上的应用。

图1：实现宽带增强二次谐波产生的双曲色散超材料结构

该成果以“Full-color enhanced second harmonic generation using rainbow trapping in ultrathin hyperbolic metamaterials”为题发表在Nature Communications。

双曲超材料波导单元，其侧壁支持表面波的传输，且该表面波模式的群速度在光频率接近模式截止频率时接近于0，形成慢光并极大地增强了光场的局域性。而宽度渐变的梯形双曲色散超材料，其不同宽度对应于不同的截止频率，可在宽频范围内实现局域电磁场增强（“彩虹捕获”效应）。

图2：双曲色散超材料SEM图片。

(a)未加工的金/氧化锌多层结构侧壁横截面SEM图片；

(b)单柱梯形双曲色散超材料的SEM图片；

(c)双柱梯形双曲色散超材料的SEM图片。

研究团队构建了基于金/氧化锌多层结构的超薄梯形双曲色散超材料，在可见光范围内（400-650 nm）内实现了增强二次谐波产生，在470-650 nm波长范围内，基频电磁场增强因子超过50，并在8.80mW泵浦功率下实现了最大1.13×10⁻⁶的倍频转换效率。这一项研究为宽带非线性超表面器件提供了一种有效且可靠的实现方法。

图3：验证基于双曲色散超材料宽带增强二次谐波产生

(a)测试装置示意图；

(b)双曲色散超材料宽带增强二次谐波产生的测试结果

论文信息：

Li, J., Hu, G., Shi, L. et al. Full-color enhanced second harmonic generation using rainbow trapping in ultrathin hyperbolic metamaterials. Nat Commun 12, 6425 (2021)

李君浩博士生、胡光维博士、史丽娜副研究员为第一作者，陈林教授、熊伟教授、张青研究员为通讯作者，浙江大学何赛灵教授、武汉理工大学官建国教授、华中科技大学王健教授也对该工作有贡献。

https://doi.org/10.1038/s41467-021-26818-3