非线性光学过程的发展

非线性光学，一种研究光如何与物质相互作用的研究，对许多光子应用至关重要，从我们都熟悉的绿色激光笔到量子光子学的强宽带(白色)光源，使光学量子计算，超分辨率成像，光学传感和测距等成为可能。通过非线性光学，研究人员正在发现利用光的新方法，从近距离观察物理学、生物学和化学中的超快过程，到增强通信和导航、太阳能收集、医学测试和网络安全。

哥伦比亚大学工程学院的研究人员开发了一种新的、有效的方法来调制和增强一种重要的非线性光学过程:光学二次谐波的产生——两个输入光子在材料中结合，通过微机械旋转和多层叠加，从六方氮化硼中产生一个能量为两倍的光子。

“我们的工作是首次将二维材料的动态可调对称性用于非线性光学应用，”他说詹姆斯·舒克，副教授机械工程他是这项研究的带头人詹姆斯磨练，王芳仁机械工程教授。

2D材料领域的一个热门话题是探索相对于另一层扭曲或旋转一层如何改变层状系统的电子性质——这在3D晶体中是无法做到的，因为原子在3D网络中紧密地结合在一起。为了解决这一难题，人们开辟了一个名为“扭电子学”的新研究领域。在这项新的研究中，研究小组使用了扭电子学的概念来证明它们也适用于光学性质。

“我们把这个新的研究领域称为‘扭转光学’，”舒克说。“我们的扭转光学方法表明，我们现在可以在非常小的体积(只有几个原子层厚度)内实现巨大的非线性光学响应，例如，可以用更紧凑、芯片兼容的足迹产生纠缠光子。此外，反应完全可以根据需要调整。”

当今大多数传统的非线性光学晶体是由共价键合材料制成的，如铌酸锂和硼酸钡。但由于它们具有刚性的晶体结构，很难对其非线性光学特性进行设计和控制。然而，对于大多数应用来说，对材料的非线性光学特性进行一定程度的控制是必不可少的。

实验示意图。氮化硼晶体被蚀刻成微旋转器形状，并由AFM尖端推动。这样可以动态调整界面晶格结构的对称性(放大图)，从而实现光变频的调制效率。

该小组发现范德华多层晶体为工程光学非线性提供了另一种解决方案。由于极弱的层间力，研究人员可以通过微机械旋转轻松地操纵相邻层之间的相对晶体取向。凭借在原子层极限控制对称性的能力，他们分别用微旋转器器件和超晶格结构演示了精确调谐和光学二次谐波产生的巨大增强。对于超晶格，研究小组首先使用层旋转在层之间创建“扭曲”界面，产生极其强烈的非线性光学响应，然后将几个“扭曲”界面叠加在一起。

“我们证明了非线性光信号实际上与扭曲界面数量的平方成正比，”舒克实验室的博士后研究员、该论文的联合第一作者姚开元说。“因此，这使得单个界面本已很大的非线性响应的数量级变得更强。”

该小组的发现有几个潜在的应用。来自微旋转器的可调谐二次谐波产生可能导致新型片上传感器，通过将机械运动转化为光来耦合微机械运动和敏感的光学信号。这对于许多传感器和设备，如原子力显微镜，是至关重要的。

将多个氮化硼薄膜相互叠加，控制扭角，可大大增强非线性响应。这为制造具有原子精度的高效非线性光学晶体提供了一种新方法。这些可用于广泛的激光(如绿色激光笔)，光学光谱，成像和计量系统。也许最重要的是，它们可以提供一种紧凑的方法来产生纠缠光子和单光子，用于下一代光学量子信息处理和计算。

这项工作是在可编程量子材料能源前沿研究中心“，在哥伦比亚大学，理论合作者在马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所．设备的制造部分是在实验室的洁净室完成的哥伦比亚纳米计划．

“我们希望，”舒克说，“这次演示为正在进行的旨在利用和控制材料特性的叙述提供了一个新的转折。”

-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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