导读

非线性光学是现代光学和光子学的重要分支，催生了频率转换、光开关和信号处理等多种先进光学技术的诞生。在1960 年代，随着激光器的问世，非线性光学的发展迎来革命性突破。密歇根大学的Peter Franken 团队首次在石英晶体中观测到二次谐波产生（SHG）这一典型的二阶非线性光学现象。随着研究对象的扩展，人们对非线性光学的探索逐步延伸至金属体系。1965年，威廉姆斯学院的Fielding Brown等人首次在平整银薄膜表面观测到SHG，并证实这一现象源于金属-空气界面的空间反演对称破缺。随后在1981年，加州大学伯克利分校的沈元壤等人发现，粗糙的金属表面可以将SHG转换效率提升四个数量级，并将其归因于局域表面等离激元共振。

然而，完整理解金属纳米结构中非线性光学响应的微观物理起源是该领域长期存在的一个基本问题，特别是当结构具有深亚波长特征尺寸时。随着理论研究的不断发展，最初对SHG现象的定性描述逐渐演变成为二阶极化率的自由电子模型。当该模型被证明在金属表面附近不适用时，研究者们开发了基于自由电子气的非线性流体动力学模型，其清晰的物理图像在阐明SHG的复杂微观物理过程中发挥了关键作用。基于该模型，金属表面的二阶非线性光学响应可分解为库仑相互作用、洛伦兹力（E×H）和对流项三个主要贡献，其中与电极化相关的对流和库仑贡献是设计二阶非线性金属纳米结构时的主要考虑，而与磁场相关的洛伦兹贡献常常被忽略。

近日，香港城市大学雷党愿教授领衔的研究团队通过巧妙设计具有磁偶极共振的超紧凑等离激元纳腔，在特定偏振的飞秒光激发下，观察到洛伦兹力驱动的SHG信号。通过增强腔内磁场强度并优化其与电场的空间重叠，有效实现了SHG转换效率达一个数量级的增强，并结合多级子相互作用清晰地揭示了流体动力学模型中洛伦兹力驱动的二次谐波产生机制。该研究成果以“Enhanced magnetic second-harmonic generation in an ultra-compact plasmonic nanocavity”为题发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》上。

研究背景

等离激元共振效应为金属纳米结构光学特性的定制化研究开辟了全新维度，使研究者得以跳出天然材料的固有局限，转而以通过对人工微纳结构的设计与调控，实现对光与物质相互作用的精准操纵。这一新兴领域的发展得益于伦敦帝国理工学院John Pendry爵士的原创理论工作(IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 1999, 47.11, 2075)，他提出开环谐振器(SRR)可在光学频率下产生磁场，并预测将弱非线性材料置于SRR间隙中可大幅提升其非线性效应。该预测已在多种金属-电介质杂化系统中得到实验验证。

然而，在纯金属结构的非线性光学研究领域，磁场驱动非线性效应的实现长期存在困难。19年前，《科学》杂志曾报道基于SRR的洛伦兹力驱动SHG现象(Science 2006, 313.5786, 502)，但该研究小组后续研究表明其SHG机制主要源于与电场梯度相关的对流项(Opt. Lett. 2008, 33.17, 1975)，也就是自由电子的非均匀流动产生了强烈的非线性电流。随后，杜克大学D. R. Smith团队也证明这一SHG发射来自于电极化梯度诱导金属表面电荷与外加电场的耦合 (Phys. Rev. B 2012, 85.20, 201403)。这一系列研究凸显了磁驱动非线性光学过程的复杂性与独特性。究其原因，原来是在传统等离激元共振结构中，电场与磁场增强区域存在显著的空间分离，比如典型的SRR结构，导致洛伦兹项对二阶非线性过程的贡献微乎其微。同时，金属纳米结构中多极共振的耦合进一步掩盖了磁驱动过程的核心物理机制，亟待创新设计实现突破。

此后的诸多研究多偏向现象学层面的讨论，对磁场增强SHG的机理缺乏进一步深入探讨。值得注意的是，维多利亚大学Reuven Gordon等人通过在金膜上设计T形孔隙结构，使电场与磁场在金桥区域内实现同步增强，进而提升了洛伦兹项对SHG的贡献(Nano Lett. 2018, 18.12, 8030)。然而，由于缺乏进一步的实验表征和理论分析，该研究未能阐明此结构中对流项、库伦项和洛伦兹项在不同激发条件下的行为（如辐射模式），导致无法调控、分辨和优化不同项的贡献，这也使得磁场驱动SHG的核心机制始终较为模糊，亟需创新设计来突破这些限制。

近期，香港城市大学研究团队在早前磁共振等离激元纳腔研究的基础上(Laser Photon. Rev. 2020, 14.9, 2000068)，采用自下而上的纳米颗粒组装技术，成功制备出亚波长尺度的“二聚体-金属薄膜”等离激元纳腔。通过选择入射光的波长、方向和偏振等参数有效激发纳腔的磁偶极共振，精准调控腔内电磁场的空间分布，实现了洛伦兹项主导的二次谐波产生，为磁共振非线性光学研究提供了新的思路和研究平台。

研究亮点

本文设计了一种超紧凑等离激元纳腔，由两个直径100 nm的金纳米球（包覆2 nm的二氧化硅壳）二聚体置放于100 nm厚的平整金膜上组成（图1a）。该纳腔中二氧化硅壳层形成三个稳定的纳米级间隙，构成三元LC谐振电路，形成磁偶极（MD）共振。利用自主搭建的入射角度可调、偏振可控的单颗粒暗场散射显微镜，作者在约950 nm波长处观测到MD共振峰（图1b），其线宽约为50 nm（Q因子约19，远大于该结构电共振的Q因子）。模拟的表面电荷分布（图1c）揭示了光诱导的环形位移电流，证实了MD共振的磁性特征。电场（图1d）和磁场（图1e）增强分布显示，MD模式在由二聚体和金膜围成的三角形区域内形成热点，磁场和电场增强倍数分别超过25和300，且两者在空间上高度重叠。这种独特的电磁空间重叠为洛伦兹项驱动的SHG提供了理想条件。库仑（图1f）、洛伦兹（图1g）和对流（图1h）项的二阶电荷分布清晰地展示了洛伦兹项在热点区域的主导贡献。

图1. 二聚体-薄膜纳腔磁共振诱导洛伦兹效应驱动SHG示意图：等离激元增强空间重叠的基频电磁场放大了倍频处的洛伦兹贡献。

为验证MD模式诱导的洛伦兹效应对SHG发射的主导贡献，作者开展波长扫描和入射/探测检偏的非线性光学光谱测量。通过扫描基频波长，作者观察到SHG输出的显著变化（图2a）：在沿二聚体长轴的x偏振激发下，SHG在970 nm处达到最大（与MD共振波长接近），这与基于流体动力学模型的数值模拟结果高度吻合；y偏振激发下，SHG强度始终较低，无明显共振特征。探测偏振分辨测量结果（图2b）进一步揭示，x偏振激发下沿x方向偏振的SHG信号（洛伦兹项主导）比沿y方向偏振的SHG信号（对流项主导）强一个数量级以上，而y偏振下两方向偏振的SHG信号相近，表明无MD共振时SHG以垂直方向电偶极子主导（对流和库伦项）。

图2. 波长扫描、偏振依赖的非线性光学光谱测量结果与基于流体动力学模型的数值模拟计算结果高度吻合。

通过旋转入射光偏振，作者系统研究了SHG的激发偏振依赖特性（图3）。在MD共振激发下，洛伦兹项驱动的非线性极化与电场和磁场的叉积成正比，x偏振SHG呈现双瓣图案（图3b），而y偏振SHG由库仑和对流项主导，呈现典型的四极子图案（图3c）。为进一步探索多极子之间的相互作用，团队受早前光诱导电磁非对称增强SHG转换效率研究的启发(Nat. Commun. 2021, 12, 4326)，进一步打破二聚体在水平方向的镜面对称（金纳米球直径分别为100 nm和50 nm，图3d）。镜像对称破缺结构进一步增强了电偶极子贡献，并使电场与磁场空间重叠进一步提升，因而显著增加SHG发射强度：x偏振SHG仍保留双瓣特征（图3e），其极值的微小旋转表明MD和ED的协同作用。y偏振探测下，四极子图案发生旋转，反映出各分量之间的耦合作用（图3f）。

图3. 偏振特性与对称性分析揭示纳腔中主导SHG产生的多极子耦合作用机制。

总结与展望

本研究在亚波长尺度的超紧凑二聚体-薄膜纳腔中，成功观测到了洛伦兹力驱动的二次谐波响应，实验结果证实磁偶极共振可使SHG转换效率达6×10^-8 W^-1。通过优化电磁场空间重叠与对称破缺设计，清晰揭示了洛伦兹项主导的二阶非线性机制，突破了传统非线性等离激元结构中以电场增强为主的设计思路。该思路具有较好的拓展性，不仅适用于多种构型的等离激元纳腔结构，还可通过调节工作波段、耦合其它光学模式来实现更丰富的非线性光操控功能。值得一提的是，高折射率介质谐振腔中磁偶极共振增强的双光子光致发光在描绘任意电磁结构中未知的光学磁场分布方面具有重要潜力(Nano Lett. 2021, 21.6, 2453)。总的来说，磁模式对非线性光学效应的操控呈现出显著的丰富性，为未来研究与磁场相关的光学过程提供了新框架和新范式。本研究由香港城市大学联合澳国立大学和四川大学等机构完成，获香港研资局、澳大利亚研究理事会、国家自然科学基金等项目资助。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01962-3