非线性光学压缩和集成到纳米尺度预计将对量子光学、生物学和医学产生重大影响。硅光子学发展的主要挑战之一是中心对称的晶体结构缺乏二阶磁化率，这阻止了均匀谐波和线性电光效应的产生 。通过施加应变、界面和瞬态强电场等方式能够有效克服这一缺陷。超构表面作为一种可调谐设计的二维超构材料，为增强光学非线性提供了新的平台，它已被用于增强GaSe中二次谐波和硅中三次谐波的产生。另外，中国科学院上海光学精密机械研究所（简称：中国科学院上海光机所）团队前期在物态调控方面的研究表明，基于强场太赫兹的调控方式具有超快、无损的优点。
据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学院上海光机所强场激光物理国家重点实验室在硅基非线性光学研究方面取得了进展。研究团队设计了一种由镂空蝶形金属超构表面和图案化的非晶硅超构表面组成的复合超构表面，提出了将该复合超构表面与强太赫兹（THz）场结合的新方法，以打破硅的中心对称性并增强二次谐波的产生（SHG）和三次谐波的产生（THG）。相关研究成果以“Second harmonic generation and third harmonic enhancement in silicon by composite metasurface and intense terahertz”为题发表在Optics Express期刊上。
针对上述问题，研究团队设计了如图1所示的一种复合超构表面结构，该结构由镂空蝶形金属超构表面和图案化的非晶硅超构表面组成。镂空蝶形金属超构表面能够显著增强太赫兹场，非晶硅的结构参数则选定为能够形成超法诺共振。
首先，研究人员采用有限元方法模拟了金属超构表面和复合超构表面在太赫兹波段内的电磁响应，在x和y方向上应用周期性边界条件，在z 方向上应用开放边界条件；其次，研究人员将复合超构表面的电磁响应与硅超构表面的电磁响应进行了比较，相关结果如图2所示。
图2 复合超构表面在太赫兹波段内的模拟结果
接着，研究人员采用有限元方法分析了非晶硅纳米柱在复合超构表面上的电磁特性。当同时施加强太赫兹与基频光时，太赫兹被进一步增强并打破了硅材料的中心对称性，从而允许二次谐波的生成。同时，非晶硅中基频光的强共振进一步提升了SHG和THG的转换效率，相关结果如图3所示。数值模拟结果显示，当入射强度为1.20
GW/cm²的基频光和10
kV/cm的y极化太赫兹波时，SHG和THG的转换效率分别为3.93×10⁻⁷和7.18×10⁻⁷。与未图案化的硅相比，THG的转换效率提高了约700倍。由于镂空蝶形金属超构表面对太赫兹的场增强效应，SHG的转换效率提高了1.47×10⁴倍。
图3 太赫兹波段内非晶硅纳米柱在复合超构表面的模拟结果
图4 复合超构表面不同位置硅纳米柱中心电场 y 分量相对于硅超构表面的增量
这项研究工作提出的非线性光响应调节方法为构建微型化、多功能和低功耗的超快速可调谐非线性器件提供了新思路。
