二阶非线性效应可引发许多独特的物理现象，例如二次谐波的产生，这在基础科学和各种应用中起着重要作用。铌酸锂是最广泛使用的非线性晶体之一，具有强烈的二阶非线性效应。然而，其折射率和蚀刻侧壁角度限制了其将光束限制在纳米尺度的能力，从而限制了其在纳米光子学中的应用。圆形布拉格环栅腔（CBG）以其高光收集效率和垂直表面发射而广泛应用于激光器、量子发射器和非线性器件。此外，CBG 的旋转对称性有望实现与偏振无关的性能。

Anapole共振由于辐射模式的相消干涉而没有远场辐射，是在亚波长尺度上增强光与物质相互作用的理想选择。在此研究中，我们在x切薄膜铌酸锂（TFLN）上的CBG中实现了Anapole共振增强的二次谐波产生（SHG）。在泵浦强度为1.9 MW/cm^2的条件下，创纪录的归一化转换效率达1.21*10^-2 cm^2/GW，相比于薄膜铌酸锂，增强因子达到了42000倍。此外，我们在椭圆形布拉格环栅腔（EBG）中展示了对s和p偏振无关的二次谐波产生，见图1。

图1. (a) TFLN上CBG增强SHG示意图，(b) 和 (c) 分别为 Anapole共振波长下的电场和磁场分布，(d) s/p偏振无关的SHG，(e)不同入射偏振角下的SHG光谱。

我们利用TFLN上的CBG来增强二次谐波产生，并已超越当前铌酸锂纳米尺度上其他同类的非线性转换效率，如图2。虽然通过将金属与铌酸锂（LN）结合可以提高二次谐波的转换效率，但其转换效率仍然有限。金属的欧姆损耗、零体二阶非线性，以及低损伤阈值，导致非线性转换效率较低。铌酸锂的Mie共振的品质因数（Q因数）一般低于100，从而也限制了其SHG效率。Fano和Anapole共振理论上可以将归一化转换效率提高到10^-5 cm^2/GW。代表性的发展是导模共振（GMR）和membrane metasurface结构将归一化转换效率提高到10^-5 cm^2/GW。虽然铌酸锂光栅波导（LNGW）结构理论上可以实现10^-3 cm^2/GW的转换效率，但难以实现。我们利用CBG在TFLN上实现了在最低泵浦强度下的最高归一化转换效率。此外，我们还演示了EBG用于控制SHG的偏振，并在不降低非线性转换效率（约10^-2 cm^2/GW）的情况下实现了s/p偏振无关SHG。

图2. 不同共振机制增强SHG的性能对比。

总之，我们在TFLN上设计了高性能的Anapole共振增强的CBG并实现了四个数量级提升的二次谐波增强。此外，我们还基于EBG在TFLN中实现了与s/p偏振无关的SHG。这一方案还可以扩展到其他非线性光学平台，如过渡金属二硫化物和III-V族半导体。该工作为在无相位匹配条件下研究纳米尺度非线性光学提供了一种新途径。

该成果发表在“Zengya Li, Zhuoran Hu, Xiaona Ye, Zhengyang Mao, Juan Feng, Hao Li, Shijie Liu, Bo Wang, Yuanlin Zheng, and Xianfeng Chen, Enhanced second-harmonic generation in thin-film lithium niobate circular Bragg nanocavity, Nano Letters 24, 11676-11682 (2024)”。