• 解决的问题：传统光学超表面在可见光/紫外波段面临制造精度要求高、材料吸收强的挑战，非线性光学中相位匹配条件严苛限制效率。现有技术难以在短波长实现基频与谐波的同步拓扑结构操控，限制了结构化光在通信、成像等领域的应用。
  

• 提出的方法：提出 “拓扑印记” 概念，设计全电介质非线性超表面，通过元原子阵列调制有效非线性极化率。利用拉曼-Nath衍射效应与相位锁定机制，将基频光的波形拓扑（如轨道角动量、光学结）直接复制到三次谐波，突破材料吸收障碍，实现多光谱同步调控。
  

• 实现的效果：实验验证在1550nm基频光下生成拓扑电荷l=3的拉盖尔 - 高斯光束及霍普夫链结构，三次谐波（~517 nm）在多晶硅吸收波段仍保持相同拓扑结构。谐波光束拓扑电荷达3l，强度分布与干涉图案与基频高度一致，证明拓扑印记的有效性。
  

• 创新点：将拓扑印记技术引入非线性超表面，通过元原子共振增强与相位锁定机制，打破材料吸收与制造精度限制。无需传统相位匹配，实现基频与谐波的拓扑结构同步复制，为短波长结构化光生成提供新范式，兼具高效性与鲁棒性。

• 研究成果以题为 “Topology-imprinting in nonlinear metasurfaces” 发表于《Science Advances》上。美国杜克大学Jiannan Gao、Hooman Barati Sedeh为论文共同第一作者，美国杜克大学Natalia M. Litchinitser为论文通讯作者。

• 摘要：平面光学组件（超表面）通过对光 - 物质相互作用的精准控制，革新了光学成像、数据存储等领域。这些纳米结构可灵活操控光的振幅、相位等特性，产生轨道角动量、拓扑结等独特光束。然而，短波长（如可见光、紫外光）超表面因制造限制和材料吸收难以设计。本文提出 “拓扑印记” 概念，通过精心设计的全电介质非线性超表面，在基频与谐波频率复制目标波形，为先进光子学应用开辟新路径。
  

• 结论：本研究展示了非线性超表面的拓扑印记技术，可在基频与三次谐波同步生成二维轨道角动量光束与三维霍普夫链。该方法通过相位 - only 超表面调制有效非线性极化率，不受限于特定非线性阶次，适用于各阶频率转换。即使谐波波长处于材料吸收窗口，超表面仍可通过调控非线性波前，确保谐波继承目标拓扑电荷。未来采用宽禁带材料（如二氧化钛）可提升谐波功率，拓展短波长应用，为光学信息处理提供紧凑可扩展方案。
  

图1：拓扑印记概念的设计与表征。

图2：光学涡旋的线性与非线性干涉测量。

图3：三维复杂光束的线性与非线性表征。