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Michele Cotrufo, Luca Carletti, Adam Overvig & Andrea Alù*

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Cotrufo, M., Carletti, L., Overvig, A. et al. Nonlinear nonlocal metasurfaces. eLight 6, 5 (2026). https://doi.org/10.1186/s43593-025-00116-7

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https://doi.org/10.1186/s43593-025-00116-7

eLight | 非线性非局域超表面

| 撰稿：NJU-Don

| 导读

在纳米光子学领域，实现非线性转换效率提升与亚波长波前精准调控的协同，对开发新型纳米光学器件、推动光信息处理与量子光学应用至关重要。近日，美国纽约城市大学Andrea Alù团队实现了基于准连续域束缚态（qBIC）的非线性非局域超表面，突破了传统非线性超表面效率与调控灵活度的兼顾难题。

研究团队创新地将非局域共振增强效应与亚波长几何相位调控相结合，通过设计非周期超表面结构，实现了高度离域的高品质因子共振模式，且可在亚波长尺度上定制空间变化的几何相位。

研究人员利用非晶硅薄膜制备超表面，通过孔径旋转编码相位信息，实现了可见光波段三次谐波的定向发射与偏振控制，既显著提升了非线性转换效率，又实现了对谐波波前的精准操控，突破了传统局域共振型超表面效率低、周期结构超表面波前调控受限的瓶颈，为非线性光学功能器件提供了新范式。

该研究成果近日发表于eLight（影响因子32.1，入选两期卓越计划），题为 “Nonlinear Nonlocal Metasurfaces”，美国纽约城市大学的 Michele Cotrufo 与意大利布雷西亚大学的 Luca Carletti 为论文共同第一作者，美国纽约城市大学的Andrea Alù为论文通讯作者。

非线性超表面作为纳米光子学的核心器件，能在亚波长尺度调控非线性光—物质相互作用，实现谐波生成、波前整形等功能，对光信息处理、量子光学及新型光电器件开发至关重要。现有非线性超表面技术存在明显局限：局域共振型超表面依赖纳米单元的局域模式，虽能实现亚波长相位调控，但场增强效应有限，导致非线性转换效率低；周期结构超表面虽支持扩展晶格共振以提升效率，却因高对称性限制波前调控灵活性，无法实现空间变化的相位定制，难以兼顾效率与调控功能。

此外，现有非局域超表面研究也存在短板：线性非局域超表面虽能通过单元耦合实现高 Q 因子与波前调控，但尚未拓展至非线性领域；少数基于周期结构的非线性非局域研究（如qBIC增强非线性），虽提升了转换效率，却无法实现亚波长尺度的波前精准控制；传统非线性几何相位超表面虽能调控波前，却依赖局域共振，效率低且谐波偏振受泵浦偏振制约，缺乏将非局域共振增强与亚波长波前调控结合的方案，制约了非线性纳米光子器件向高集成、多功能方向发展。

研究团队创新设计了基于准连续域束缚态的非线性非局域超表面系统（如图1）。以非晶硅薄膜为载体，通过刻蚀旋转矩形孔径构建单元结构，形成支持高度离域共振模式的超表面，借助准连续域束缚态实现高Q因子共振增强，同时通过孔径旋转角编码空间变化的几何相位。这种设计突破了传统非线性超表面的技术局限，既解决了局域共振型超表面非线性转换效率低的问题，又弥补了周期结构超表面波前调控能力弱的不足，能在亚波长尺度精准控制三次谐波波前，还实现了可见光波段三次谐波的定向发射，转换效率较传统非线性梯度超表面提升近两个数量级。

图1：周期性非线性非局域超表面的设计与表征

进一步地，研究团队开发了新的非线性几何相位调控方法（见图2）。通过分析圆偏振泵浦光与非局域准连续域束缚态模式的耦合机制，发现超表面几何相位对三次谐波的调控系数为4ρ，且三次谐波始终保持线偏振，不受泵浦光偏振影响。对相位梯度超表面测试时，三次谐波可根据泵浦光手性实现定向偏转， 消光比最高达164，有效解决了传统非线性几何相位超表面谐波偏振依赖泵浦手性、波前调控灵活性不足的问题，且无需复杂的偏振补偿校准。

图2：相位梯度超表面三次谐波发射的偏振依赖性

研究人员还优化了非线性超表面的制备与实验适配方案（见图3）。他们采用等离子体增强化学气相沉积制备非晶硅薄膜，结合电子束光刻与感应耦合等离子体刻蚀实现超表面图案化，通过抗电荷层旋涂解决电子束光刻充电问题；针对实验中三次谐波的高效采集，设计高数值孔径物镜结合傅里叶成像系统，捕捉到93%的三次谐波能量，并通过激光功率归一化与空间滤波减少信号波动。该方案为非晶硅、砷化镓等多种材料非线性超表面的制备与测试提供了可靠路径，尤其适配纳米级非线性光电器件的性能表征。

图3：相位梯度超表面的制备及线性/非线性表征

图4：用于测量偏振依赖型k空间发射模式的实验装置

| 总结与展望

该研究聚焦非线性超表面“效率与调控灵活性难以兼顾”的核心痛点，创新的将非局域共振与亚波长相位调控结合，设计出基于准连续域束缚态的非线性非局域超表面。通过非晶硅薄膜刻蚀旋转矩形孔径，构建支持高Q因子离域模式的结构，既借助准连续域束缚态增强光-物质相互作用，使三次谐波转换效率较传统梯度超表面提升近两个数量级；又通过孔径旋转角编码几何相位，实现三次谐波波前的亚波长精准调控，且谐波始终保持稳定线偏振，突破了局域共振型超表面效率低、周期结构超表面调控受限的瓶颈。

未来研究可从两方面推进：一是拓展材料体系与非线性效应，将非局域设计思路应用于砷化镓、铌酸锂等强非线性材料，探索二次谐波、和频生成等更多非线性过程，进一步提升转换效率；二是优化器件集成与功能扩展，结合波导集成技术开发微型化非线性光电器件，同时探索非局域非线性超表面在量子光源制备、光信息加密等领域的应用，推动其从实验演示走向实际工程化。

| 论文信息

Cotrufo, M., Carletti, L., Overvig, A. et al. Nonlinear nonlocal metasurfaces. eLight 6, 5 (2026).

https://doi.org/10.1186/s43593-025-00116-7