【光学前沿】二维材料引领可调谐非线性超构光学新发展

    近日，发表于《AdvancedPhotonics》2024年第3期的研究成果展示了基于二维材料的线性和非线性可调谐超构光学的最新进展与挑战。

    超构光学能在纳米尺度操纵光场，可调谐超构光学的发展有望推动多个领域的创新。二维材料因其特殊的电子和光学特性，在实现可调谐超构光学方面显示出强大潜力。将超构光学与二维材料相结合，对增强和调整非线性效应具有重要意义。
    在二维激子用于可调谐超构光学方面，激子在二维材料的光学和电子性能中至关重要，同一材料的结合能值受多种因素影响可能存在差异。三激子对过渡金属二硫化物的光学性能有显著影响，但对其结合能的观测有限。通过门控、掺杂或光激发控制二维材料中载流子浓度，可调节激子数量从而影响材料光学响应，这一效应可用于动态控制元光学器件。为增强激子共振，低温下用六方氮化硼封装二维器件是普遍方法，但要实现广泛应用，还需发展器件在室温下工作的能力。目前WS₂是室温下的候选材料之一，但该领域仍面临精确控制外部刺激和激子共振窄带性质等挑战。
    二维材料中的等离子体激元和声子极化激元可在纳米尺度实现受限和增强的光-物质相互作用，导致高度可调的光学特性。石墨烯可通过掺杂实现高度可调的导电性，是中红外光学器件的理想候选者，其层状结构还为其他可能性提供空间。二维材料的多样性可将可调谐等离激元推进到近红外甚至可见范围。h-BN中的声子极化激元可根据晶体厚度和周围介电环境进行被动调谐，利用二维材料相关特性调谐极化子是未来的研究方向。
    非线性超表面可实现平面表面上的非线性现象，全介电超表面具有低损耗和高损伤阈值的优点。二维材料及其复合结构在非线性光学领域展现出巨大潜力，二维材料超表面具有多种优点，可用于研究常见非线性光学效应，还可通过与其他材料结合增强二阶非线性过程。
    研究人员聚焦于可调谐二维材料超构光学，介绍了二维系统中可调谐激子等，并展望了该领域的发展前景。二维材料以其独特的可调谐和非线性光学特性，为光子学领域带来了巨大的发展机遇，推动其在材料生长、堆叠和纳米制造方面的应用，将促进光子学的整体发展。