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在可見光波長范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)調(diào)控先進(jìn)光學(xué)過程

（中國AI網(wǎng) 2025年09月24日）蝴蝶翅膀的虹彩藍(lán)光澤啟發(fā)了研究人員，幫助他們成功解決了先前被認(rèn)為難以克服的挑戰(zhàn)：在可見光波長范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)調(diào)控先進(jìn)光學(xué)過程。

這項(xiàng)成果是一種厚度不足發(fā)絲直徑的圖案化材料層，而它可能成為革命性新型光學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)，包括可重構(gòu)超薄AR/VR全息透鏡。

澳大利亞研究理事會(huì)變革性超光學(xué)系統(tǒng)卓越中心、光學(xué)公司BluGlass的穆達(dá)薩爾·諾曼（Mudassar Nauma）表示：“我們重新構(gòu)想了光與物質(zhì)的相互作用方式，從而將難題轉(zhuǎn)化為解決方案的一部分。通過連接兩個(gè)過程，我們將看似走不通的死路變成了可實(shí)際應(yīng)用的成果，其適應(yīng)性極強(qiáng)，可集成從玻璃面板到隱形眼鏡的任何載體。”

這項(xiàng)研究為超表面實(shí)現(xiàn)非線性光學(xué)開辟了新途徑。超表面是一種鑲嵌有亞波長結(jié)構(gòu)的薄層，能產(chǎn)生與天然材料截然不同的物質(zhì)特性。更優(yōu)越的是，通過改變輸入光的偏振態(tài)可以啟閉非線性效應(yīng)，通過調(diào)節(jié)材料溫度可實(shí)現(xiàn)性能調(diào)控。

這項(xiàng)研究最令人興奮的一點(diǎn)是，它使得我們離快速可調(diào)光學(xué)元件的實(shí)際應(yīng)用更近了一步，并為具有可調(diào)非線性響應(yīng)的重構(gòu)型光學(xué)設(shè)備鋪平了道路。

高效非線性過程需要具有高折射率和強(qiáng)光學(xué)特性的材料。基于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，項(xiàng)目重點(diǎn)關(guān)注了一類杰出材料：由過渡金屬與氧族元素陰離子構(gòu)成的晶體。

過渡金屬二硫?qū)倩铮═MDC）因其單晶品質(zhì)、寬可調(diào)帶隙而展現(xiàn)出強(qiáng)半導(dǎo)體特性，同時(shí)由于激子（電子與空穴結(jié)合形成的準(zhǔn)粒子）形成的效應(yīng)，它們同時(shí)表現(xiàn)出極強(qiáng)的光物質(zhì)相互作用。

TMDC可與硅芯片技術(shù)無縫集成，所以具有低成本、可規(guī)模化應(yīng)用的潛力。

但在其常見的2H晶體形態(tài)（鏡像層晶體）中，TMDC存在兩個(gè)看似不可逾越的問題：首先，盡管適用于使用紅外波長的通信領(lǐng)域，但由于激子吸收效應(yīng)過強(qiáng)，TMDC對(duì)人眼應(yīng)用所需的可見光是不透明的。

其次，其晶體結(jié)構(gòu)關(guān)于中心點(diǎn)對(duì)稱，這抑制了一半的非線性轉(zhuǎn)換過程：只允許頻率轉(zhuǎn)換為奇數(shù)倍（三倍、五倍、七倍頻等）——遺憾的是，最簡單且通常最高效的倍頻過程（又稱二次諧波產(chǎn)生）非常微弱。

其他研究曾試圖解決這些問題，但一直受困于結(jié)構(gòu)脆性、吸收問題或需要低溫冷卻等難題。

在思考這一挑戰(zhàn)時(shí)，諾曼博士從大閃蝶翅膀的絢麗色彩中獲得靈感：“色彩鮮艷的奧秘在于巧妙的雙組分系統(tǒng)：透明納米結(jié)構(gòu)反射藍(lán)光，下層深色黑色素吸收雜散光。就像黑天鵝絨上的鉆石——深色背景讓鉆石的光芒更加璀璨。大自然告訴我，最佳結(jié)果往往來自間接解決方案。”

諾曼博士發(fā)現(xiàn)的間接解決方案是使用近紅外波長泵浦激光（可無吸收地穿透TMDC），并結(jié)合超表面設(shè)計(jì)在1220納米處構(gòu)建共振（恰為激子波長的兩倍）以利用能量。

這種稱為連續(xù)譜中準(zhǔn)束縛態(tài)（qBIC）的共振設(shè)計(jì)為純磁性質(zhì)，避免了任何會(huì)導(dǎo)致輻射損耗的電偶極分量。這確保了共振具有高Q值，即泵浦能量高效捕獲，使其能夠積累到與倍頻（半波長610納米）激子相互作用的水平，從而產(chǎn)生通常極弱的二次諧波輻射。

激子與qBIC共振之間的虛擬相互作用是器件性能的核心。關(guān)鍵的是，研究人員可以按需斷開或恢復(fù)這種連接。

支持qBIC的超表面幾何結(jié)構(gòu)由新月形納米結(jié)構(gòu)陣列組成，每個(gè)結(jié)構(gòu)都小于光波長。在非磁性材料中實(shí)現(xiàn)這種純磁qBIC十分罕見，本研究在單晶TMDC中實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。

新月形結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性使超表面具有偏振響應(yīng)，通過改變泵浦偏振可以啟閉共振（從而控制虛擬激子連接），實(shí)現(xiàn)對(duì)非線性光強(qiáng)的調(diào)制。通過調(diào)節(jié)激子共振可以實(shí)現(xiàn)更動(dòng)態(tài)的控制該共振可通過材料應(yīng)變、電場(chǎng)或本實(shí)驗(yàn)采用的溫度進(jìn)行偏移。

使用二硫化鎢的初步實(shí)驗(yàn)成功驗(yàn)證了所提出原理，在可見光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了比單層二硫化鎢高兩個(gè)數(shù)量級(jí)、比未圖案化薄膜高四個(gè)數(shù)量級(jí)的增強(qiáng)效果。在零下100攝氏度至100攝氏度的溫度變化范圍內(nèi)，激子共振發(fā)生約20納米的偏移。這種偏移同時(shí)改變了虛擬連接的強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)非線性光強(qiáng)的調(diào)制。

相關(guān)論文：Dynamic control of nonlinear emission by exciton-photon coupling in WS2 metasurfaces

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

這一突破使TMDC能夠在整個(gè)可見光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)前所未有的二次諧波產(chǎn)生效率。諾曼博士表示，將材料的弱點(diǎn)轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢(shì)可能帶來諸多益處：“我們將TMDC轉(zhuǎn)化為高效非線性發(fā)射器。重要的是這一策略具有普適性，使其成為可調(diào)諧高效非線性光學(xué)的強(qiáng)大平臺(tái)。由于具備動(dòng)態(tài)可調(diào)特性，這種方法可用于如今聽起來像科幻小說的技術(shù)，例如可重構(gòu)超薄AR/VR全息透鏡。”