2020年11月13日，国际物理顶级刊物《物理学进展报告》刊发了我校与法国国家研究中心、新加坡南洋理工大学、美国哥伦比亚大学，武汉光电国家研究中心合作发表题为“Planar Nonlinear Metasurface Optics and Their Applications”的综述性论文。该文第一作者为我校机械与电子信息学院黄田野教授和研究生赵翔。

该文围绕作者们近年来的研究工作：超表面是由亚波长的“元原子”（即金属或电介质纳米结构）组成的人造二维（2D）平面。与传统的光学器件相比，它们以能够实现更好、更有效的光控制而闻名。电磁特性的突变和急剧变化可能是由亚表面引起的，而不是需要更大传播距离的常规逐渐累积。基于这一特性，人们开发出了诸如反射镜、透镜、波片、隔离器甚至超小厚度全息图等平面光学元件。目前大多数的元表面研究都集中在裁剪线性光学效应，以应用于隐身、透镜成像和三维全息摄影。近年来，利用亚表面增强非线性光学效应引起了研究界的广泛关注。得益于由此产生的高效非线性光学过程，具有宽带频率转换和超快光开关等特殊功能的集成全光纳米器件的制造将成为可能。

该文作者们阐述了基于亚表面和二维非线性材料的平面非线性等离子体电子学的基本原理。等离子体激发是提高非线性光学响应的最有效方法之一，因为等离子体激发具有强的局域电磁场增强效应。例如，通过自旋-旋转光耦合，证明了等离子体超表面有效非线性极化率的连续相位控制。在二次谐波和三次谐波产生过程中，通过改变亚原子的空间取向，可以连续调节非线性极化的相位，而非线性亚表面也表现出均匀的线性特性。为了开发超平面非线性等离子体超表面，二维材料如石墨烯和过渡金属硫化物（TMDCs）因其独特的非线性光学性质而受到广泛的研究。石墨烯的三阶非线性系数是金衬底的五倍，而TMDC材料也表现出很强的二阶磁化率。最后，讨论了将二维非线性材料引入超表面的优点和挑战，以及它们在轨道角动量操纵和量子光学等方面的潜在应用。

该文将有益于广泛的科学人员，包括物理学家、材料科学家、设备和光学工程师，内容涵盖了基于亚表面和二维非线性材料基本原理、材料工程、基础物理、光子和光电器件等。

论文信息：

Title: Planar Nonlinear Metasurface Optics and Their Applications

Authors: Tianye Huang, Xiang Zhao, Shuwen Zeng^∗ , Aurelian Crunteanu, Perry Ping Shum^∗ and Nanfang Yu^∗

Sources: Reports on Progress in Physics，2020, 83(12): 126101

Publication Date: November 13, 2020

论文链接：https://doi.org/10.1088/1361-6633/abb56e