连续谱束缚态（bound states in the continuum, BIC）因兼具超高品质因子和强局域电磁场增强能力，近年来已成为纳米光子学与非线性光学中的研究热点。作为实现BIC和准BIC的重要平台，超表面可在亚波长尺度上灵活调控电磁响应，并通过引入结构不对称性，将理想BIC转化为可被外场激发的准BIC态，为高效非线性光学器件设计提供了新的思路。
近日，中山大学物理学院刘进教授、刘卓俊副研究员在《Journal of Optics》发表题为Quasi-bound states in the continuum for nonlinear applications in asymmetry metasurfaces 的综述论文。该文系统梳理了近年来非对称超表面中准连续谱束缚态在增强非线性光学效应方面的研究进展，重点总结了其在二次谐波、三次谐波、非线性手性光学及量子光学等方向的应用，并对高Q因子准BIC结构的未来发展进行了展望。
非线性光学在光通信、信息处理、量子技术等领域具有重要应用价值，但传统非线性晶体通常依赖较长传播距离和较高泵浦功率，难以满足器件小型化和片上集成的需求。相比之下，超表面凭借亚波长尺度的结构设计能力，可显著提升光场调控自由度，为增强光与物质相互作用提供了高效平台。
在众多增强机制中，BIC因其理论上无限寿命和无限Q因子而备受关注。BIC本质上是一类嵌入辐射连续谱中的非辐射本征态，能够实现极强的电磁场局域。然而，理想BIC与自由空间辐射解耦，难以直接激发。为解决这一问题，研究人员通过引入对称性破缺，将理想BIC转化为可与外界耦合的准BIC，在保持高Q因子和强局域场优势的同时，实现了实验可激发、可测量的高品质共振模式。因此，基于非对称超表面的准BIC结构，已成为提升非线性光学效应、推动新型纳米光子器件发展的关键研究方向。
图1. 经典不对称超表面单元结构及常见二阶、三阶非线性晶格体系
该综述从非线性光学基本理论出发，系统介绍了超表面中非线性响应的产生机制。材料在强光场作用下会产生非线性极化响应，其强度不仅取决于材料本身的非线性极化率，也高度依赖局域电场增强效果。因此，如何借助高Q共振模式提升局域场强，是实现高效非线性过程的核心问题。
图2. 非线性极化示意图及典型二阶、三阶非线性效应与多极展开形式
在此基础上，文章进一步梳理了BIC与准BIC的形成机制、拓扑特性及其在非对称超表面中的调控规律。特别是对于由对称性破缺引入的准BIC，其Q因子通常与不对称参数满足平方反比关系，这为结构设计与性能优化提供了清晰的理论依据。
图4. 不对称参数对准BIC模式Q因子的调控关系
围绕具体应用，综述重点总结了准BIC在典型非线性频率转换过程中的研究进展。在二次谐波产生方面，GaAs、AlGaAs、GaP以及LiNbO₃等具有较大二阶非线性系数的材料，被广泛用于构建不对称超表面。通过精细调控纳米结构几何参数，可激发高Q准BIC共振并显著提升局域场强，从而实现高效二次谐波输出。
图5. 不对称超表面在二次谐波产生中的应用
在三次谐波产生方面，硅基纳米结构由于具备较强三阶非线性响应和良好工艺兼容性，成为重要研究对象。相关工作表明，通过构建具有对称性破缺的硅纳米结构阵列，可在可见和近红外波段激发高Q准BIC模式，从而显著增强三次谐波信号。
图6.不对称超表面在三次谐波产生中的应用
除谐波产生外，综述还讨论了准BIC在非线性手性光学中的新进展。通过引入空间不对称性结构，超表面可对左旋和右旋圆偏振光产生选择性响应，并在谐波信号中表现出明显的非线性圆二色性。这为手性分子探测、偏振调控器件以及自旋光子学研究提供了新的实现路径。
图7. 不对称超表面在非线性手性光学中的应用
此外，准BIC增强机制在高次谐波产生及量子光学中的潜力也受到越来越多关注。高Q模式所带来的强局域场增强，使准BIC超表面成为高效高次谐波产生的重要候选平台。与此同时，这类结构在自发参量过程、纠缠光子对产生等方向也展现出值得关注的应用前景，为片上量子光源和量子信息器件的发展提供了新的可能。
图8. 不对称超表面在高次谐波产生中的应用
此外，准BIC机制的引入进一步拓展了高次谐波光源在量子光学领域的应用前景，尤其是在高纯度纠缠光子对产生方面展现出重要潜力，为量子计算与量子通信提供了新的技术路径。高次谐波产生与量子光学过程的结合，不仅推动了超快光学的发展，也为量子信息科学提供了新的研究工具与实现平台。
图9. 不对称超表面在量子光学与纠缠光子对产生中的应用前景
该综述全面回顾了非对称超表面中准BIC增强非线性光学效应的研究进展，展示了其在二次谐波、三次谐波、非线性手性光学以及量子光学等方向的广阔应用前景。总体来看，准BIC机制为突破传统非线性器件在效率、尺寸和集成度方面的限制，提供了重要的新路径。
展望未来，随着新型功能材料的发展、准BIC工程方案的持续创新，以及智能优化设计方法的引入，超表面非线性器件的性能有望进一步提升。尽管目前由对称性破缺引入的准BIC在Q因子、带宽和制造容差等方面仍面临挑战，但通过材料体系和结构参数的协同优化，准BIC超表面有望在更宽光谱范围内实现高效、紧凑、多功能的非线性光子学平台。
文章链接：
https://doi.org/10.1088/2040-8986/ae4368
撰稿：课题组
