本站讯  近日，空间科学与技术学院2020级本科生于翔汀与2021级本科生秦浩渊以共同第一作者身份，发表光子晶体非线性效应研究成果。该成果以《Anomalous Nonlinear Optical Effects by Intensity-Dependent Phase-Variation Compensation in Photonic Crystals Containing Hyperbolic Metamaterials》为题，发表在纳米科学和物理学权威期刊Nanomaterials（SCI，IF=4.3），并被选为期刊封面亮点文章。山东大学为第一完成单位，空间科学与技术学院2020级本科生于翔汀、2021级本科生秦浩渊为共同第一作者，空间科学与技术学院路光副研究员、杜桂强教授为共同通讯作者。

图1. (a) 线性条件下 TM 极化的带边波长随入射角的变化；(b) 非线性条件下 TM 极化的带边波长随局部电场强度的变化。

图2. 波长为490.0 nm的入射光在不同角度下的光学双稳态特性。

光学非线性效应已在物理学、材料科学、信息技术等多种学科中得到了广泛的研究与应用。光学非线性效应的强度由受试材料的光学非线性系数决定，一些贵金属具有远大于典型电介质材料的光学非线性系数，

但由于电磁场难以进入块状金属内部，因此它们对非线性光学效应具有很高的临界阈值强度。自光子晶体(Photonic Crystals, PCs)的概念被提出以来，研究人员通过构建含金属的PCs，能够显著增强光学非线性效应，降低工作阈值，引起了人们的广泛关注。

本工作构建了含有双曲超材料(Hyperbolic Metamaterials, HMM)的PCs，利用传输矩阵法系统研究了其非线性光学特性。HMM是具有双曲型介电常数或磁导率色散的电磁超材料，可通过有效介质近似下的亚波长金属-介质多层膜构成；不同于常规电介质材料传播相位随入射角增加而减小的性质，HMM由于其独特的双曲色散特性，在HMM中光的传播相位将随入射角增加而增加，因此含有HMM的PCs可以通过相位变化补偿机制被设计拥有全向光子带隙(Photonic Band Gap, PBG)，进而制造一系列全向光子器件。相位变化补偿机制目前主要在线性条件下的被广泛讨论，该研究成果研究人员提出，当考虑非线性条件时，金属折射率将成为局域场强度的函数，改变相位变化补偿条件，进而移动PCs的光子带边(Photonic Band Edge, PBE)，当金属局部场强增加时，折射率增加导致红移PBE；局部场强降低时，折射率降低导致蓝移PBE。这种强度依赖的相位变化补偿机制将产生两种反常的光学非线性效应，即线性条件下角度无关的PBE将产生角度敏感的非线性临界阈值强度，而通过设计线性条件下角度依赖的PBE可实现角度不敏感的光学非线性效应。该研究设计了PCs参数实现了上述两种反常非线性效应，为含HMM的PCs中的光学非线性效应提供了更全面的理解。通过利用光学非线性效应的双稳特性，这种微纳结构能够实现光信号的快速开关，在光学逻辑、全光信号处理等领域具有巨大的潜力，为未来的全光信号处理器和全光计算芯片提供了潜在的实用解决方案。

空间科学与技术学院秉持“科教融合”理念，积极推动科研立项活动和本科生导师制，鼓励本科生加入导师研究团队，以高水平科学研究支撑高质量本科人才培养。依托各类实践平台和实训基地，搭建学生科学实践和创新创业平台，增强学生创新精神和科研能力，培养具有扎实专业基础和创新精神的拔尖人才。

本论文的研究工作得到了国家自然科学基金和山东省重点研发计划的支持。

论文链接：https://doi.org/10.3390/nano15120903