圖 1 (a)(d)垂直對稱和非垂直對稱超表面的示意圖(b)(e)色散關系(c)(f)正入射時，第一激發磁偶極模式和混合磁偶極模式的歸一化電場分布

超表面結構中的強非線性光學效應在全光信號處理、生物醫學檢測、環境監測以及量子通信等前沿領域具有重要應用價值。具有高Q因子的準連續域束縛態(Quasi bound state in the continuum，QBIC)因其顯著的局域場增強效應，是增強非線性光學效應的關鍵技術手段。然而，QBIC的Q因子對結構參數高度敏感，限制了其局域場增強能力，制約了該技術在非線性光學領域的應用。如何在超表面結構中實現更高效的局域場增強，已成為超表面非線性光子學領域面臨的關鍵科學問題。

針對上述科學問題，研究團隊提出了一種基于高Q因子和超平坦色散帶的局域場增強方法。該方法通過精確調控非垂直對稱超表面中的兩個Friedrich-Wintgen BICs，成功實現了具有慢光效應的磁偶極QBIC模式，其局域場增強倍數高達808倍。

圖2 (a)f=0.53時，混合磁偶極模式的色散關系和Q因子(b)歸一化反射譜(c)減速因子S和品質因子Q隨入射角θ的的變化關系(d)入射角θ為9°22′時，電場及歸一化強度增強

該磁偶極QBIC模式展現出三大突破性優勢：

顯著的慢光效應：該模式的群速度相較于光速降低了3個數量級，極大地增強了光與物質的相互作用，顯著降低了實現強非線性光學效應所需的泵浦功率密度;

穩定的高Q因子：在保持顯著慢光效應的同時，該模式的Q因子達到217，可有效降低片上光子器件的功耗，并且該模式位于兩個BICs的重疊區域，具有一定的穩定性，使其成為增強非線性效應的理想模式;

大模式體積：能夠實現納米諧振器內的強光限制，仿真結果表明，在峰值泵浦功率密度為10 MW/cm2的條件下，三次諧波轉換效率可達10-4。

該成果為增強超表面非線性光學效應奠定了重要理論基礎，為開發高性能片上非線性光子器件提供關鍵技術，在高靈敏度生物傳感、量子光源制備等領域展現出重要的應用潛力，有望助力下一代集成光子技術的突破。

審核編輯 黃宇