一个研究小组已经实现了长期以来关于非线性光学超材料的理论预测之一:创造一种在光的基频和谐波频率下折射率相反的非线性材料。这种天然不存在的物质，已经被预测了近十年。
对“反向相位匹配”——一种被称为“非线性反射镜”的现象——的观察，为这种新型超材料的诞生提供了证据。研究人员报道了这一现象佐治亚理工学院发表在6月15日的期刊上自然材料。
虽然这一发现本身可能没有什么直接的实际应用，但实现一种理论学家预测过的材料是一个里程碑，可能会导致新的研究领域，并促使对支配非线性光学的基本规则的重新评估。
“非线性光学对于控制光在信息处理、传感和信号产生方面至关重要，”佐治亚理工学院电气与计算机工程学院的副教授蔡文山(Wenshan Cai)说，他领导了这个研究小组。“我们的努力极大地扩展了非线性光与物质相互作用的范围，在人工结构介质中使用工程化的、非常规的线性和高阶材料参数。”
工程超材料可提供自然材料中不可用的独特性能。这在非线性光学中特别有用，其中具有非常规特性的材料可能会产生差异，必须积极控制光线。多个机构的研究人员已经创建了光学超材料，可用于生产更高效的太阳能电池，更快的计算机芯片，改进的传感器 - 甚至粘附，以允许隐形。
“超材料的线性响应大大增加了自然发生的材料可获得的线性物质，”蔡先生，又在佐治亚理工学院科学与工程学院拥有一个教师职位。“以同样的方式，非线性超材料的研究可能对非线性光学领域具有革命性的影响。超材料可能使得的非常规电磁参数将激发我们重新考虑并重新评估许多既定的非线性光学规则。“
超材料从重复的单元结构而不是组成材料中获得其特性。在可见光和红外光之间的频率范围内，亚波长金属结构可以作为构建模块——本质上是“元原子”——创造出具有过去无法获得的特性的光学材料。
在实验上，研究人员努力创造一个负指数材料 - 这是超级材料研究的圣杯 - 样品尺寸足够大的测试。他们不得不同时根据基本和谐波频率定制折射率。
研究团队能够通过利用非线性等离子体波导中的两个不同模式来展示向后相位匹配，这是用薄的介电垫片的夹层夹在两个平坦的银膜之间的相对高折射率。间隙中的大介电常数使得表面等离子体和散装等离子体频率的明显分离，而窄间隙将操作点推开远离表面等离子体频率，并帮助平衡两种模式的折射率的大小。
波导分别使用模式折射率的实际部分，分别用于基本和谐波的3.4和-3.4。研究人员在研究人员报告的情况下，观察到在约780纳米的激发波长下的观察到的峰值转换效率表明了相位匹配条件的实现，其中沿着与进入的基本光线的方向出现的相干谐波。
研究小组做了一套全面的测量，从实验上证实了波导中反向相位匹配的现象。
蔡教授解释说:“我们提出了一种智能方案，使我们能够以现实的方式通过实验实现反向相位匹配。”“反向相位匹配在负折射率超材料中的实验演示被认为是极具挑战性的，这就是为什么它花了近十年时间才实现的原因。”
蔡指出，相位匹配是一种利用非线性光学实现高效频率产生的标准技术，通常通过微调非线性晶体的方向或温度来实现。在二次谐波产生-一个非线性过程，使光的频率加倍-相位匹配要求初始(基频)和加倍(谐波)频率的折射率相同。这样，基光就会沿传播方向逐渐转换为基光的谐波，输出的谐波光也会沿同一方向共传播。
除了蔡教授，该研究团队还包括第一作者、电气与计算机工程学院的研究生兰守峰。其他合著者是来自佐治亚理工学院的Lei Kang, Sean Rodrigues和Yonghao Cui，以及斯坦福大学Geballe高级材料实验室的David Schoen和Mark Brongersma。
这一领域的研究前景如何?
“除了反向相位匹配，在非线性超材料中还有许多其他有趣的现象等待探索，”蔡说。“设计定制的非线性材料的能力，这在超材料中是可能的，必将为非线性光与物质的相互作用打开全新的前景。”
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