光学非线性效应是频率变换、量子技术等众多光电应用的物理基础。提升微纳尺度下的非线性转换效率，对研制具有高品质因子、高能量利用率与低峰值功率特性的小型化、高集成度光子器件至关重要。然而，如何高效利用紧聚焦光束的泵浦能量，仍是目前亟待突破的技术瓶颈。受光子晶体能带的色散效应制约，现有面外辐射微腔体系的非线性转换效率普遍受限，极大限制了非线性光电器件的实际应用性能。光子晶体微腔、导模谐振微腔、环形布拉格微腔、谐振超表面等各类微纳光学结构已被广泛证实可有效增强二阶非线性光学响应。但这类结构的共振波长普遍与入射角度相关，对光子动量匹配与角度激发带宽具有严苛约束，大幅限制了非线性光子学系统的工作自由度与适用场景。

图1. 紧聚焦泵浦光束中的斜波矢分量参与的、光子晶体平带增强二次谐波产生工作机理。(A)悬空薄膜铌酸锂莫尔光子晶体微腔结构示意图。(B)色散能带与莫尔平带体系二次谐波增强机制对比。(C)莫尔超原胞与缺陷腔模式能带结构对比。

本文在扭转角4.41°的铌酸锂莫尔微腔中实验实现了平带谐振增强的二次谐波产生。该微腔品质因子高达约1100，在1.1±0.2 MW/cm²的极低泵浦功率密度下，实现了(2.1±0.4)×10⁻⁴ cm²/GW的归一化二次谐波转换效率。结构的高品质因子、平带色散特性与宽角度接收特性形成协同效应，最大化提升了泵浦光利用率，从而实现高效非线性频率转换。该研究证明了薄膜铌酸锂莫尔超晶格可作为高性能、小型化、集成化非线性光子器件与新一代量子光源的优异平台。

图2. 薄膜铌酸锂莫尔光子晶体微腔的二次谐波增强特性。(A)不同魔角下薄膜铌酸锂莫尔光子晶体微腔扫描电镜图与反射光谱。(B)二次谐波光斑：薄膜铌酸锂（上行）；莫尔光子晶体（下行）。(C)归一化转换效率。

图2展示了不同魔角下薄膜铌酸锂莫尔光子晶体微腔的二次谐波增强效果。随着魔角减小，二次谐波效率逐渐增强，这一现象与微腔品质因子及莫尔平带平坦度的同步上升密切相关。平带谐振可在大范围动量空间内实现高效二次谐波产生。采用紧聚焦的高斯光束激发样品时，宽范围发散角的波矢分量能够以同一谐振频率耦合至微腔模式。大数值孔径物镜可高效捕获这些倾斜波矢分量，再通过远场光谱测试表征体系的集体谐振响应。单一波矢分量对应的二次谐波发射强度与品质因子和模体积之比呈二次方关系。得益于多波矢通道的频率简并谐振特性，系统整体的二次谐波信号得到进一步增强。本工作有效利用了入射泵浦光束中固有的倾斜波矢分量，最终实现高效的非线性频率转换。

本研究成果发表于“Flatband resonance enhanced second-harmonic generation in thin-film lithium niobate Moiré microcavity” Nano Letters 26, 7356−7363 (2026).

文章信息：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.6c01183