非线性超表面定制二次谐波频率的三维偏振结构及其在光学信息加密中的应用

这篇研究开创性地提出了基于非线性超表面（metasurface）的二次谐波（SHG）三维偏振结构调控方法。通过设计具有三倍旋转对称性（C3）的金纳米结构，实现了从环形到三维偏振结（3D polarization knots）的定制化生成，为高维光学信息处理（如加密和全息成像）提供了新范式。该工作首次在非线性光学体系中实现了对SHG光束偏振态的纵向动态调控，突破了传统线性光学器件的功能限制。

　　

摘要

研究团队开发了一种基于非线性光学超表面的创新方法，通过金纳米结构的三倍旋转对称性（C₃）设计，首次实现了二次谐波（SHG）频率下的三维偏振结构定制。当线性偏振基波（FW）激发时，该系统能同步产生SHG光束并构建复杂的三维偏振分布，包括环形结构和三维偏振结。通过改变基波的线性偏振方向，可动态调制SHG偏振分布，为光学信息加密提供了新维度。

1 引言

传统偏振调控依赖体光学元件（如波片和偏振器），而光学超表面通过亚波长结构实现了偏振态的精准操控。在非线性光学领域，尽管二次谐波产生（SHG）的偏振控制已有研究，但三维偏振结构的实现仍属空白。本研究通过结合非线性几何相位和全息原理，利用金-氧化铟锡（ITO）混合超表面的局域等离子体共振和介电常数近零（ENZ）效应，显著提升了SHG转换效率。

2 结果

2.1 二维偏振环生成

实验采用550nm周期的C₃金纳米棒阵列（单臂尺寸200×70×30nm），在1265nm波长处观察到显著的SHG响应。当左旋圆偏振（LCP）基波激发时，产生的右旋圆偏振（RCP）SHG形成均匀强度环；线性偏振基波则产生遵循马吕斯定律的双瓣图案，偏振旋转角度θ_j与基波偏振角呈θ_j-2θ的定量关系。

2.2 三维偏振结构建

通过参数化方程设计了两种三维偏振结：

1. 非线性关联型：将2000个焦点分为两组（θ_j=0或π/2），在水平偏振基波（H_FW）激发下，仅特定区域产生垂直偏振（V_SHG）信号，形成"半亮半暗"的二维结结构。

2. 线性关联型：设定θ_j=θ_pj，在纵向不同位置（z=480-520μm）观察到偏振角连续变化的二维结，其亮暗分布与理论预测完全吻合。

3 结论

该工作通过非线性几何相位实现了SHG光束的三维偏振编程，其偏振敏感的频率转换特性超越了线性光学器件的功能边界。这种动态可调的偏振结构为偏振拓扑研究、高容量光学信息存储（如隐写术）提供了新工具。

4 实验方法

超表面采用电子束光刻（EBL）和金属剥离工艺制备，SHG信号通过数值孔径0.4的物镜收集，配合可调偏振分析系统进行表征。飞秒激光（250fs脉宽，80MHz重频）作为基波源，确保了非线性转换效率。

这项研究将非线性光学与超表面偏振调控深度融合，其提出的"偏振-频率"双维度操控策略，为发展新型光学加密和量子信息处理技术开辟了道路。