在非线性波长转换过程中，严格的相位匹配能够确保光子动量守恒，进而保证非线性光学过程的效率。为了解决这一限制，研究者已经开发了准相位匹配、双折射相位匹配和高阶模式相位匹配等技术。然而，这些方法需要特定的光束组合、严格的色散匹配，且通常带宽较窄。在本研究中，我们证明了一种亚毫米金属包层波导，它可以通过在非特定匹配入射角下激发超高阶驻波场，从而“绕过”相位匹配的要求，实现片上非线性波长转换。最终，在亚毫米波导中观察到高效的二次谐波生成，覆盖从可见光到红外光的宽泵浦波长范围。结果表明，超高阶驻波场减轻了传统相位匹配的限制，能够促进非线性相互作用和非线性器件的小型化。

非线性频率转换在光学领域具有重要意义，广泛应用于全光信号处理、量子通信、生物医学、数据存储、环境监测等多个领域。为了实现高效的非线性光学过程，必须严格满足相位匹配条件，例如二次谐波（SHG）、和频（SFG）和差频（DFG），这些过程均受输入光特性的制约。传统上，非线性相位匹配通常采用双折射或周期性极化的非线性晶体，通过精确的色散匹配来实现，但在实际中，严格满足相位匹配条件常常是困难的。因此，基于周期性极化非线性晶体的准相位匹配（QPM）应运而生，通过周期结构的倒格矢来补偿相位失配。然而，QPM存在的一个问题是，它仅对单一特定的光束组合实现相位匹配，并且通常仅适用于窄范围的波长。这些限制严重限制了非线性频率转换的潜在应用。

近年来，采用无相位匹配技术实现波长转换引起了广泛关注，包括具有（亚）波长级模式体积的共振结构和具有负折射率的超材料。在这些结构中，转换效率依赖于基模与高次谐波之间的模式重叠。例如，提出的双重共振光子腔借助其高品质因子而实现波长转换；而等离子体纳米天线则通过在基频和谐波波长下同时增强场强，并实现模式之间的空间重叠，从而提高转换效率。此外，信号光和泵浦光反向传播的二次谐波生成可以通过超材料实现的反向相位匹配。例如，零折射率介质中，光对相位匹配条件不贡献动量，传播方向对相位失配变得无关紧要，从而支持方向无关的相位匹配。

本研究中，我们理论提出并实验验证了一种亚毫米金属包覆波导（SMCW），该波导支持更高的品质因子和接近0的有效折射率，以增强大体积非线性介质中的光-物质相互作用，同时支持前向和后向传播光的同时产生，从而实现方向无关的相位匹配。SMCW具有多个显著特性，其中最引人注目的是存在超高阶驻波（UOS），其数量可超过10^4。SMCW可以在非特定匹配入射角下激发超高阶驻波场,因此其能够“绕过”片上非线性波长转换中的相位匹配要求。同时，由于金属性质，SMCW中的高效二次谐波生成对泵浦频率的变化不敏感。最终，我们在宽泵浦波长范围（从可见光到红外光）中观察到了倍频产生。

图 a) SMCW倍频产生示意图。b) 实验装置及产生的倍频信号。c) 倍频阈值。d) 不同入射角下的倍频光强。

该成果发表在“Qiheng Wei, Hongrui Shan, Hailang Dai , and Xianfeng Chen, Phase-matching-free second-harmonic generation in an ultrahigh-order standing-wave field, Phys. Rev. Applied 22, L051001, (2024)”。

原文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.22.L051001