徐红星团队在非线性混频过程取得重要进展

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我院徐红星课题组利用相向传播的布洛赫表面波使得单层二硫化钨的二阶非线性转换效率提高了三个数量级，并实现混频信号辐射和偏振性质的可控操纵。论文于10月14日以“Efficient Frequency Mixing of Guided Surface Waves by Atomically Thin Nonlinear Crystals”为题发表在《Nano Letters》期刊上。论文第一署名单位是武汉大学物理科学与技术学院，我院博士生郭全兵为第一作者，张顺平副教授与徐红星教授为通讯作者。
       单层过渡金属硫族化合物具有优异的二阶非线性效应，但是在常规的垂直激发下，光与物质的相互作用长度严重受限于材料的亚纳米厚度，因此其光频转换效率相对低下。实验中常用来提高非线性转换效率的手段分为两种，一种是利用金属微纳结构增强激发场或者倍频场，但该方法存在电场空间局域性强，不适宜大面积制备及应用。另外一种方法是利用光学波导延长电磁波与单层材料的非线性相互作用长度进而提高其转换效率，但该体系需要精心设计结构参数达到非线性过程中的相位匹配条件。

        徐红星教授课题组结合一维光子晶体与单层二硫化钨（WS2），利用布洛赫表面波低损耗、电场增强大、横电场分布的特点，同时提高波导与WS2的时间和空间重叠度，利用相向激发的方式打破常规非线性相位匹配条件的限制（图a），使得WS2二阶非线性转换效率提高了三个数量级。通过控制两束激发光的相对延迟，表征了超短激光的脉宽（图b）。接着利用傅立叶成像技术研究了二倍频以及和频信号的空间辐射特征（图c），证明了非线性频率转换过程中的动量守恒。通过改变激发频率更改布洛赫表面波的波矢差，进而实现和频信号的定向准直辐射（图d）。该研究成果为增强光与物质的非线性相互作用提供了新的方案，有助于促进低维半导体材料在集成非线性相干光源方面的应用。
       该项研究工作得到国家自然科学基金委、国家重点基础研究发展计划和中国科学院先导专项等项目的支持。
       论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c02736


        文章来源：武汉大学
        徐红星，武汉大学物理科学与技术学院教授，973项目首席科学家，长江特聘教授，2006年杰青，2010年获得中国青年科技奖，2013年获得饶毓泰物理奖，2016年获中国光学重要成果奖，2017年当选中国科学院院士。他长期从事表面增强光谱、等离激元光子学和纳米光学领域的研究工作：在实验上首次发现了金属纳米结构间隙的巨大电磁场增强效应，是超灵敏光谱传感的基础；首次实现了纳米光逻辑，开创了纳米光芯片研究的新方向；最近把等离激元共振的灵敏度提高到亚皮米精度。发表论文180余篇，SCI引用13000余次，单篇引用超过1000次的两篇（分别是1999年PRL，当年PRL被引最高的两篇文献之一；2000年PRE，当年PRE被引最高文献，被选为PRE的里程碑论文），单篇超过100次的37篇，h因子58；2014-2017年连续入选中国高被引学者榜。他已作国际会议邀请报告60余次；在等离激元光子学领域国际系列会议（SPP，NFO，SPIE,FOP）中，任FOP国际会议的大会主席，其它三大国际会议的程序委员会委员；最近任高登研究会议（GRC）Plasmonically-Powered Processes国际会议首届大会主席；曾任Nanoscale副主编，Optics Express副主编。
        张顺平，博士生导师，1985年出生于广东揭阳，武汉大学物理与科学技术学院副教授，武汉大学珞珈青年学者（2016）。研究兴趣包括等离激元光子学、微纳尺度上光与物质相互作用、有源与无源纳米光电信息器件、增强光谱等领域。主要研究成果包括：1）发现手性表面等离极化激元、构造线性与非线性等离激元波导回路；2）阐释Fano共振是实现高灵敏等离激元传感的主要机制、实现亚皮米精度的等离激元距离传感；3）实现纳腔中光与物质的强相互作用体系以及对极小空间中光场的定量测量，解决纳米光学领域一个重要物理效应长期以来无法定量测量的困扰。发表学术论文30余篇，其中以第一/通讯作者（含共同）发表Phys. Rev. Lett. 2篇、Nat. Commun. 1篇、Light: Sci. Appl. 1篇、Nano Lett. 6篇、ACS Nano 2篇，Web of Science被引2000余次（单篇最高被引400余次）。主持国家自然科学基金委面上项目1项、青年项目1项、中国博士后基金2项，参与973项目1项、国家重点研发计划“量子调控与量子信息”重点专项项目1项。