我院徐红星课题组利用相向传播的布洛赫表面波使得单层二硫化钨的二阶非线性转换效率提高了三个数量级，并实现混频信号辐射和偏振性质的可控操纵。论文于10月14日以“Efficient Frequency Mixing of Guided Surface Waves by Atomically Thin Nonlinear Crystals”为题发表在《Nano Letters》期刊上。论文第一署名单位是武汉大学物理科学与技术学院，我院博士生郭全兵为第一作者，张顺平副教授与徐红星教授为通讯作者。

    单层过渡金属硫族化合物具有优异的二阶非线性效应，但是在常规的垂直激发下，光与物质的相互作用长度严重受限于材料的亚纳米厚度，因此其光频转换效率相对低下。实验中常用来提高非线性转换效率的手段分为两种，一种是利用金属微纳结构增强激发场或者倍频场，但该方法存在电场空间局域性强，不适宜大面积制备及应用。另外一种方法是利用光学波导延长电磁波与单层材料的非线性相互作用长度进而提高其转换效率，但该体系需要精心设计结构参数达到非线性过程中的相位匹配条件。

徐红星教授课题组结合一维光子晶体与单层二硫化钨（WS₂），利用布洛赫表面波低损耗、电场增强大、横电场分布的特点，同时提高波导与WS₂的时间和空间重叠度，利用相向激发的方式打破常规非线性相位匹配条件的限制（图a），使得WS₂二阶非线性转换效率提高了三个数量级。通过控制两束激发光的相对延迟，表征了超短激光的脉宽（图b）。接着利用傅立叶成像技术研究了二倍频以及和频信号的空间辐射特征（图c），证明了非线性频率转换过程中的动量守恒。通过改变激发频率更改布洛赫表面波的波矢差，进而实现和频信号的定向准直辐射（图d）。该研究成果为增强光与物质的非线性相互作用提供了新的方案，有助于促进低维半导体材料在集成非线性相干光源方面的应用。

该项研究工作得到国家自然科学基金委、国家重点基础研究发展计划和中国科学院先导专项等项目的支持。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c02736