“超材料前沿研究”一周精选 [2018.8.6-8.12]

以光学倍频为代表的光学非线性技术在激光波长扩展、超快信号处理、量子光源和太赫兹技术等方面具有重要的应用。而要实现高效率的光学频率转换，非线性晶体中的光波就必须要满足相位匹配（Phase Matching）条件，即转换前后同时满足动量和能量守恒。在传统的均匀晶体中，相位匹配条件是很难满足的；近年来，人们在具有周期性结构的光子晶体（photoniccrystal）中提出了准相位匹配（Quasi-Phase Matching，QPM）的概念，实现了在均匀晶体中难以获取的非线性特性和功能，确保了不同频率的光波之间的高效能量交换。然而，到目前为止，由于缺乏三维样品的制备技术，非线性光子晶体只能被限制为一维或二维的几何形状，如常见的超晶格结构。近日，来自澳大利亚国立大学的WieslawKrolikowski教授、Yan Sheng博士等人，以及山东大学的王继扬教授、张怀金教授研究团队、波兰华沙工业大学KrzysztofSwitkowski教授、德国马普所Kaloian Koynov教授等人，通过采用超快光学局域反转（ultrafastlight domain inversion）的方法，在Ba_0.77Ca_0.23TiO₃(BCT)铁电材料中制备出了一个三维非线性光子晶体，能够沿任意方向对非线性过程进行相位匹配，消除了低维体系在空间自由度上受到的约束。此处所使用的光学极化方法与现有的光学制备技术完全兼容，包括常见的飞秒激光直写折射率分布，可拓展到铌酸锂（lithium niobate）等优异的非线性光电材料，为实现下一代光通信的三维非线性集成光子器件的芯片制造技术铺平了道路。相关论文发表在近期的《Nature Photonics》上。

文章链接：Tianxiang Xu,Krzysztof Switkowski, Xin Chen, Shan Liu, Kaloian Koynov, Haohai Yu, HuaijinZhang, Jiyang Wang, Yan Sheng & Wieslaw Krolikowski, Three-dimensionalnonlinear photonic crystal in ferroelectric barium calcium titanate, NaturePhotonics (2018).

2、近表面光源在磁场下的光发射路由现象

磁光效应（Magneto-opticalphenomena），如法拉第（Faraday）和克尔效应（Kerr effect），在控制介质中传播的光场偏振和强度方面起着重要作用。其中，光的出射方向对外部磁场的取向有着一定的依赖关系，被称为强度效应（intensityeffect），因其可以用于光的路由控制，因而引起了人们极大的研究兴趣。到目前为止，已知利用强度效应来控制光发射的应用都是沿着平行于磁场的轴线方向。近日，来自德国多特蒙德工业大学、俄罗斯科学院Ioffe研究所、波兰科学院的研究团队报道了一类新的光发射现象，即位于表面附近的光源方向垂直于外部磁场的施加方向，他们称之为光发射的横向磁性路由（transversemagnetic routing）。作为这种效应的原理性证明，研究人员在稀磁半导体量子阱中（diluted-magnetic-semiconductorquantum well）展示了激子（exciton）发射的路由现象，并且在等离子体-半导体的杂化结构中观测到对方向性的增强效率高达60％。相关研究发表在近期的《Nature Physics》上。

文章链接：F. Spitzer, A.N. Poddubny, I. A. Akimov, V. F. Sapega, L. Klompmaker, L. E. Kreilkamp, L. V.Litvin, R. Jede, G. Karczewski, M. Wiater, T. Wojtowicz, D. R. Yakovlev &M. Bayer, Routing the emission of a near-surface light source by a magneticfield, Nature Physics (2018).

3、全介电超表面中的高次谐波增强产生

高次谐波产生（High-Harmonic Generation，HHG）首次报道于稀有气体原子中，它被认为是强场物理学的基本过程之一，也是阿秒（attosecond）光子学的核心。最近，人们在固体中发现的HHG提供了一种气体中无法实现的新型强场光子应用新方法，使我们能够直接从亚波长纳米结构中生成和控制高次谐波。全介电超表面（all-dielectricmetasurface）具有高损伤阈值和强大的驱动场增强效应，成为了控制纳米级高次谐波和其他高场过程极具吸引力的研究平台。最近，来自美国SLAC国家加速器实验室以及斯坦福大学的David A. Reis教授、HanzheLiu等人，联合斯坦福大学的ShanhuiFan教授、JelenaVučković教授等人，报道了一种硅基超表面材料中的Fano共振所导致的非微扰高次谐波增强发射（non-perturbativehigh-harmonic emission）现象，它模拟了经典的电磁感应透明现象（electromagnetically inducedtransparen-cy），谐波发射效率与未图案化的样品相比增强了两个数量级。在该研究中，增强型高次谐波是高度各向异性、依赖于激发的偏振特性，并且因其共振特征而具有激发波长的选择性。结合纳米加工技术和超快强场物理学，这里的工作为设计在高强度和短波长下工作的新型紧凑超快光子器件铺平了道路。相关研究发表在近期的《Nature Physics》上。

文章链接：Hanzhe Liu,Cheng Guo, Giulio Vampa, Jingyuan Linda Zhang, Tomas Sarmiento, Meng Xiao,Philip H. Bucksbaum, Jelena Vučković, Shanhui Fan & David A. Reis, Enhancedhigh-harmonic generation from an all-dielectric metasurface, Nature Physics (2018).

4、产生真空紫外光的超表面结构

真空中的紫外光（Vacuum UltravioletLight）在许多领域具有重要的应用，包括光学器件制备、光化学、环境修复、显微镜和光谱学领域。目前，产生相干真空紫外光的方法通常是借助稀有气体或原子蒸气等介质中的高次谐波产生，而能够产生二次谐波的非线性光学晶体是非常难以实现的。最近，来自美国莱斯大学的Naomi J.Halas教授和PeterNordlander教授领衔的科研团队向我们展示了一种全介质的超表面结构，能够用于生成真空紫外光的非线性光。该器件由一系列氧化锌纳米共振结构组成，具有波长为394 nm的磁偶极子共振。当采用这一波长的超快脉冲激光激发时，可以较为容易地产生197nm的二次谐波。并且，通过对超表面结构的设计，能够有效地控制辐射光的图案。这项工作有可能为紧凑型真空紫外光源的新应用奠定研究基础。相关研究发表在近期的《Nano Letters》上。

文章链接：MichaelSemmlinger, Ming Lun Tseng, Jian Yang, Ming Zhang, Chao Zhang, Wei-Yi Tsai, DinPing Tsai, Peter Nordlander, and Naomi J. Halas, Vacuum UltravioletLight-Generating Metasurface, Nano Letters Article ASAP. DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b02346.

5、宽带紫外的全硅超表面材料

紫外光（ultraviolet light）具有较高的光子能量和短波长，可实现高分辨率成像、光刻、传感等多个方面的应用。在现有条件下，人们通常借助笨重的光学器件来控制和使用紫外线，不能满足紧凑光子系统中的器件集成需求。最近，超表面（Metasurface）材料的出现使得光子器件从太赫兹到可见光波段都能实现器件的小型化，在对光子的操控方面显示出前所未有的优势。然而，材料在尺寸和损耗方面的问题阻碍了超表面在较短波长下的实际应用。最近，来自美国加州大学伯克利分校的姚杰教授课题组，联合清华大学的尤政教授课题组、加州大学伯克利分校的LauraWaller教授，设计和制备了一种厚度仅为工作波长1/10的全硅超表面材料（all-siliconmetasurfaces），其对宽带紫外光的操控效率与红外波段的等离子体超表面相当。在此基础上，研究人员首次利用该超表面材料所生成的紫外全息图案，展示了该技术在光刻应用方面的潜力。他们还通过理论模型证实：这种性能增强归因于在紫外光范围内增加的硅基纳米天线的散射截面（scatteringcross sections）。本文所提出的新材料平台将加深我们对光-物质相互作用的理解，并为宽带超构光子学（metaphotonic）应用提供了更多的材料选择，在集成光子学和全息光刻技术方面具有广阔的应用前景。相关文章发表在近期的《Advanced Materials》上。

文章链接：Y. Deng, X.Wang, Z. Gong, K. Dong, S. Lou, N. Pégard, K. B. Tom, F. Yang, Z. You, L.Waller, J. Yao, All‐Silicon Broadband Ultraviolet Metasurfaces, Adv. Mater.2018, 1802632. https://doi.org/10.1002/adma.201802632

6、多模光纤中的完全偏振控制

多模光纤（Multimodeoptical fibers）在通信、成像、高功率激光器和放大器中的应用越来越广泛。然而，光纤中的内在缺陷和环境扰动将会引起随机偏振和模式混合，导致输出光的偏振特性不同于输入时的偏振状态；这种差异对于偏振敏感的技术应用，如控制光纤探针远端的光-物质相互作用或非线性光学过程是一个十分严重的问题，实际应用中往往需要借助成本较高的单模、保偏光纤。最近，来自美国耶鲁大学的Hui Cao教授课题组领衔的科研团队仅仅通过操控激光束入射光纤的空间波前，就实现了对多模光纤中所有输出通道的偏振态的完全控制。在这里，研究人员通过波前整形技术（wavefrontshaping）在各个输出通道上产生了任意的偏振态，而不需要对输入光的偏振特性加以限制。在多模光纤中，空间模式和偏振自由度之间的强耦合能够使得在仅具有空间自由度的前提下，实现对光学模式的全偏振控制。因此，此处所采用的波前整形技术能够将多模光纤转换为波片的高效、可重构矩阵（reconfigurablematrix of waveplate），可应用于成像和通信等方面。相关研究发表在近期的《Light: Science& Applications》上。

文章链接：Wen Xiong, ChiaWei Hsu, Yaron Bromberg, Jose Enrique Antonio-Lopez, Rodrigo Amezcua Correa& Hui Cao, Complete polarization control in multimode fibers withpolarization and mode coupling, Light: Science & Applications 7, Articlenumber: 54 (2018).

7、具有偏振选择性的发光二极管

发光二极管（Light-EmittingDiode，LED）是一种常见的光电器件，被广泛应用于液晶显示、照明、通信等方面。在液晶显示屏的应用中，由于LED不能直接发出偏振光，因此就必须要额外引入一对偏振片来控制光在液晶中的透过性能，以实现显示功能。为了进一步提高显示屏的集成度，研究人员一直以来都在寻找具有偏振特性的LED光源。最近，来自宝岛台湾的国立中央大学、国立成功大学、中央研究院和国立台湾大学的研究团队在LED衬底上制备出椭圆形纳米柱（ellipticalnanorod）阵列结构，实现了偏振光的电致发光，并且在纳米柱的短轴长度小至150nm时电致发光的极化比达到3.17。研究人员通过使用自上而下（top-down）的纳米制备工艺，结合“纳米球-透镜”光刻（nanospherical-lenslithography）和两步蚀刻工艺，制备出了GaN基纳米棒阵列LED，这与当前的半导体制造工艺完全兼容。研究表明，在这些不对称椭圆纳米柱中，具有不同偏振的光以不同速度传播；通过掺入薄的光阻层，可以增加光源的偏振选择性。这里的研究结果将有助于开发芯片级的偏振选择LED，这对于不适合使用外部偏振器或在芯片级偏振光源的应用尤其有益。相关研究发表在近期的《ACS Nano》上。

文章链接：Meng-ChengChou, Chia-Yi Lin, Bo-Lin Lin, Chang-Han Wang, Shih-Hui Chang, Wei-Chih Lai,Kun-Yu Lai, and Yun-Chorng Chang, Polarization-Selecting III-Nitride EllipticalNanorod Light-Emitting Diodes Fabricated with Nanospherical-Lens Lithography, ACSNano Article ASAP. DOI: 10.1021/acsnano.8b04933.

编辑：冯元会

审核：颜学俊