研究背景
光学研究的主要目标之一是实现对光的调控、传播和限制。历史上，光学的进步始于大型透镜和反射镜的出现，随着棱镜和光栅等的使用而发展。但随着光学调控接近衍射极限，这些传统器件的改进空间越来越少。纳米光子学旨在实现亚波长尺度下对电磁波的超越衍射极限的操纵。相关制造技术、分析工具和理论模型的发展为研制具有前所未有性能的新型纳米光子学设备开辟了道路。
超表面是具有亚波长尺寸和间隔的光学天线阵列，是一个不同于经典光学的平面光学的原创概念。超表面能够实现光学元件的小型化，并能够实现一些前所未有的新功能。在过去的二十年中，通过基于金属或者非晶介质的纳米结构，超表面的光学特性在线性状态下得到了深入的研究。
近年来，非线性平面光学受到越来越多的关注，频率转换效应首先在金属纳米天线中的局部等离子体共振中被观察到，然后在介电纳米结构中的 Mie 型多极共振中同样也被观察到。在纳米尺度的转变过程中，相位匹配的作用已被开放的非厄米特纳米结构中发生的近场共振所取代。
在非线性超表面的新领域，非线性超光学的概念被提出，而介质型非线性超表面的实现则提供了最高的非线性产生效率：首先在非晶态或绝缘体硅基底上产生三次谐波，然后在Ⅲ-Ⅴ族半导体和铌酸锂等非中心对称材料中产生二次谐波和自发参量下的频率转换。最近，科学界也开始对谐波场的波前整形产生兴趣，包括从简单的超构光栅和超构透镜到复杂的超构全息图和特殊光束的非线性产生。
论文亮点
法国巴黎大学的 Carlo Gigli 博士和 Giuseppe Leo 教授回顾了介电超表面非线性光学的最新研究进展，重点关注二次谐波产生的聚合效应。他们讨论了支撑这些研究进展最常用的技术平台，并分析了不同的调控方法。文章首先介绍了亚波长Mie谐振器中非线性效应的产生，指出了高效率非厄米系统的主要优势。然后，概述了近年来用于控制或促进超表面谐波产生的主要方法。最后，将非线性光学超表面的性能与其他成熟技术进行了比较，展现了当前最先进的技术，并找出了其可能发挥作用的一些应用场景。在结论中，对于迅速发展的介电非线性超表面领域，指出了两种可能的应用前景。
图 数百个椅子形纳米结构的阵列（电子显微镜图片右侧）能够将入射“红色”光束的波长减半，并将生成的“蓝色”光束聚焦在所需的距离
一方面，采用耦合纳米天线和集体共振被认为是最大限度地实现非线性效应的最佳策略。然而，即便是具有最大品质因数的超表面的效率也比其他平台低几个数量级。这主要是因为迄今为止大多数的相关研究都专注于在基本频率（fundamental frequency, FF）周围产生单个高Q谐振。可以预期的是，这种与其他技术的差距可以通过更优化的设计来弥补，从而在自由空间耦合和模式品质因子之间取得良好的平衡，同时实现双谐振条件和优化非线性重叠积分。
另一方面，无论是引导结构还是光子晶体，低Q天线都代表着样式的真实变化。虽然它们目前的非线性产生效率较低，但在其他方面有着诱人的优势，包括从单个超原子发射的动态可调，到脉冲整形、宽带参数器件、非线性成像、波前整形和超构全息等。目前，随着纳米加工技术的发展，TMDCs等有前途的新型非线性材料的使用，以及用于模拟耗散腔中非线性产生的解析和数值方法的进步，为非线性光学超表面器件的快速发展提供了基础。这些数学工具的改进对于高度多模纳米谐振器的非直观设计和优化显得尤为重要。
基于这一新的非线性光学分支所取得的令人瞩目的成就，人们有理由期待在未来的几年中会出现一类新的非线性光子元器件，可用于高速开关、纠缠光子源、超连续谱产生和非线性成像等方面。
