澳大利亚研究团队开发基于蝴蝶翅膀启发的可调谐非线性光学超表面

（来源：映维网Nweon）

在可见光波长范围内动态调控先进光学过程

（映维网Nweon 2025年09月24日）蝴蝶翅膀的虹彩蓝光泽启发了研究人员，帮助他们成功解决了先前被认为难以克服的挑战：在可见光波长范围内动态调控先进光学过程。

这项成果是一种厚度不足发丝直径的图案化材料层，而它可能成为革命性新型光学技术的基础，包括可重构超薄AR/VR全息透镜。

澳大利亚研究理事会变革性超光学系统卓越中心、光学公司BluGlass的穆达萨尔·诺曼（Mudassar Nauma）表示：“我们重新构想了光与物质的相互作用方式，从而将难题转化为解决方案的一部分。通过连接两个过程，我们将看似走不通的死路变成了可实际应用的成果，其适应性极强，可集成从玻璃面板到隐形眼镜的任何载体。”

这项研究为超表面实现非线性光学开辟了新途径。超表面是一种镶嵌有亚波长结构的薄层，能产生与天然材料截然不同的物质特性。更优越的是，通过改变输入光的偏振态可以启闭非线性效应，通过调节材料温度可实现性能调控。

这项研究最令人兴奋的一点是，它使得我们离快速可调光学元件的实际应用更近了一步，并为具有可调非线性响应的重构型光学设备铺平了道路。

高效非线性过程需要具有高折射率和强光学特性的材料。基于相关标准，项目重点关注了一类杰出材料：由过渡金属与氧族元素阴离子构成的晶体。

过渡金属二硫属化物（TMDC）因其单晶品质、宽可调带隙而展现出强半导体特性，同时由于激子（电子与空穴结合形成的准粒子）形成的效应，它们同时表现出极强的光物质相互作用。

TMDC可与硅芯片技术无缝集成，所以具有低成本、可规模化应用的潜力。

但在其常见的2H晶体形态（镜像层晶体）中，TMDC存在两个看似不可逾越的问题：首先，尽管适用于使用红外波长的通信领域，但由于激子吸收效应过强，TMDC对人眼应用所需的可见光是不透明的。

其次，其晶体结构关于中心点对称，这抑制了一半的非线性转换过程：只允许频率转换为奇数倍（三倍、五倍、七倍频等）——遗憾的是，最简单且通常最高效的倍频过程（又称二次谐波产生）非常微弱。

其他研究曾试图解决这些问题，但一直受困于结构脆性、吸收问题或需要低温冷却等难题。

在思考这一挑战时，诺曼博士从大闪蝶翅膀的绚丽色彩中获得灵感：“色彩鲜艳的奥秘在于巧妙的双组分系统：透明纳米结构反射蓝光，下层深色黑色素吸收杂散光。就像黑天鹅绒上的钻石——深色背景让钻石的光芒更加璀璨。大自然告诉我，最佳结果往往来自间接解决方案。”

诺曼博士发现的间接解决方案是使用近红外波长泵浦激光（可无吸收地穿透TMDC），并结合超表面设计在1220纳米处构建共振（恰为激子波长的两倍）以利用能量。

这种称为连续谱中准束缚态（qBIC）的共振设计为纯磁性质，避免了任何会导致辐射损耗的电偶极分量。这确保了共振具有高Q值，即泵浦能量高效捕获，使其能够积累到与倍频（半波长610纳米）激子相互作用的水平，从而产生通常极弱的二次谐波辐射。

激子与qBIC共振之间的虚拟相互作用是器件性能的核心。关键的是，研究人员可以按需断开或恢复这种连接。

支持qBIC的超表面几何结构由新月形纳米结构阵列组成，每个结构都小于光波长。在非磁性材料中实现这种纯磁qBIC十分罕见，本研究在单晶TMDC中实现了这一目标。

新月形结构的不对称性使超表面具有偏振响应，通过改变泵浦偏振可以启闭共振（从而控制虚拟激子连接），实现对非线性光强的调制。通过调节激子共振可以实现更动态的控制该共振可通过材料应变、电场或本实验采用的温度进行偏移。

使用二硫化钨的初步实验成功验证了所提出原理，在可见光谱范围内实现了比单层二硫化钨高两个数量级、比未图案化薄膜高四个数量级的增强效果。在零下100摄氏度至100摄氏度的温度变化范围内，激子共振发生约20纳米的偏移。这种偏移同时改变了虚拟连接的强度，从而实现对非线性光强的调制。

相关论文：Dynamic control of nonlinear emission by exciton-photon coupling in WS2 metasurfaces

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ady2108

这一突破使TMDC能够在整个可见光谱范围内实现前所未有的二次谐波产生效率。诺曼博士表示，将材料的弱点转化为优势可能带来诸多益处：“我们将TMDC转化为高效非线性发射器。重要的是这一策略具有普适性，使其成为可调谐高效非线性光学的强大平台。由于具备动态可调特性，这种方法可用于如今听起来像科幻小说的技术，例如可重构超薄AR/VR全息透镜。”

---

原文链接：https://news.nweon.com/132793