-- ||文献阅读|| --
Subwavelength nonlinear phase control and anomalous phase matching in plasmonic metasurfaces
Euclides Almeida , Guy Shalem & Yehiam Prior
-- ||导读|| --
2016年1月22日，Euclides Almeida等人在NATURE COMMUNICATIONS上发表了一篇将超表面的非线性相位调控用于四波混频中的论文，设计了基于超表面的拉曼奈斯光栅和非线性透镜。
-- ||背景介绍|| --
超材料是一类人造材料，其光学特性可以适应于展现自然界中不常见的现象，如反常折射。其中基于等离子体的金属元素的超表面，具有替代传统大体积光学元件的潜力。近年来，人们越来越关注其非线性光学特性，特别是在二次和三次谐波产生以及相位光栅波束控制等领域。然而，就我们所知，超表面相位匹配的基本问题尚未得到彻底解决。这部分是由于对单个等离子体元件的非线性的相位和幅度控制有限导致的，这在许多情况下使研究人员只能采用周期性结构（光栅）来施加特定衍射角。
-- ||创新与结论|| --
本文讨论了光栅散射和亚波长相位梯度产生的散射两者之间的区别。以四波混频为例，证明了相位梯度超表面，符合异常相位匹配条件，相当于非线性广义Snell定律。光学非线性的亚波长相位控制为超薄平面非线性光学元件的设计铺平了道路。本文还展示了非线性超表面透镜，它既可以作为非线性发生器，也可以作为频率转换信号的操纵器。
-- ||图文一览|| --
图一 线性和FWM传输，通过具有不同纵横比的矩形金纳米腔。
（a） 线性透射光谱强度
（b） 对应的线性光谱相位
（c） 计算的通过结构表面四波混频产生的光场的波前分布
（d） 计算的不同场的相位分布
小结：ab显示了不同纵横比的金空腔在不同波长下的透过率和相位分布图，说明改变纵横比可以调制光的各项参数，以此来设计超表面。C是计算具有一定相位梯度的超表面的四波混频的波前分布，说明具有非线性相位调制功能。d描绘了在800,1088和633nm处单独传播的波在不同纵横比下累积的线性相位，以及在633nm处产生的FWM光束累积的非线性相位。说明四波混频积累的相位和普通的633积累的相位不同。
图二 四波混频的k空间分析
（a）测量四波混频角度相关性的光路。
（b）光束示意图。
（c）（d）通过两组不同结构CCD成的像。
（e）均匀和相位梯度超表面的相位匹配角和输入角度的关系。
（f）相位梯度超表面的异常相位匹配条件示意图。
小结：这里将普通光栅和反常相位匹配光栅进行了对比，后者可以对四波混频产生的谐波进行相位调制。
图三 用于相位梯度超表面的FWM信号的光束转向角
（a） -（e）变化纵横比设计的相位超表面，和其四波混频产生的光斑偏移现象。
（f）不同相位梯度结构的FWM角度和入射角度的关系曲线，蓝线为根据相位梯度计算的理论值。
小结：通过验证，反常相位匹配梯度超表面的四波混频波矢量满足该公式：
加入了梯度项，为设计非线性梯度超表面提供了依据。
图四 基于相位梯度元素周期排列的非线性闪耀光栅
（a） 闪耀光栅
（b） 不同周期设计的闪耀光栅的0级和1级衍射光斑图
（c） 衍射角度和光栅周期曲线，红色非线性仿真结果，蓝色由非线性拉曼光栅理论计算的值。
小结：这些闪耀光栅不同于由均匀单位单元中的正相和负相位天线交替产生的光栅，在“正”和“负”横向方向上不对称，导致负衍射级的衍射效率低得多。衍射角与设计的相位梯度有关，并且曲线符合拉曼光栅公式：
高阶的光斑也可以看到，只是比较暗。
图五 不同焦点的非线性超透镜
（a） -（c）非线性超透镜SEM
（d）-（f）仿真结果
（g）-（i）实验结果
小结：按照聚焦相位分布设计了超透镜，FWM信号是紧密聚焦的，近衍射极限的高斯光斑，实验和仿真有区别的原因主要是加工精度和实验上入射的两束基频不是完美共轴。
-- ||点评|| --
最近阅读的非线性论文包括了二次谐波三次谐波和四波混频的应用，基本上是非线性常用的现象，基本上是将超表面的相位调控与非线性共振结合起来，线偏振与圆偏振的相位调控也与线性领域相似，只是与基频存在倍率关系，以此来进行超表面的设计。
https://www.nature.com/articles/ncomms10367.pdf
DOI: 10.1038/ncomms10367
报告人：冯兴 时间：2019.4.2
