近日，意大利布雷西亚大学Costantino De Angelis团队研究了含PMMA层高对比度光栅可见范围内的脉冲内多模态四波和混频。2026年1月5日出版的《Light: Science & Applications》杂志发表了这项成果。

非线性超表面已成为增强和控制纳米尺度光-物质相互作用的有力平台，为实现频率转换过程的器件设计提供了多功能且紧凑的方案。

研究组报告了对支持连续准束缚态（q-BIC）的高折射率对比光栅（HCG）中脉内四波和频（FWSM）的实验观察和理论分析。通过设计具有额外聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）包覆层的一维硅基HCG，研究组实现了准束缚态和导模共振（GMR）的同时激发，从而实现了两种模式之间的非线性耦合。

宽带飞秒激发在可见光范围内揭示了多个不同的光谱峰，这些峰归因于涉及准束缚态和导模共振频率不同组合的FWSM过程。傅里叶显微镜测量进一步证实了所产生的非线性信号在衍射级之间的重新分布。该结果表明，通过超表面利用多种非局域共振的相互作用来定制非线性频率混合是一种新方法，从而为可调频率转换、全光信号处理和非线性光子器件开辟了新途径。

附：英文原文

在这项工作中，小组报告了在高折射率对比光栅（HCG）中支持连续介质准束缚态（q-BIC）的脉冲内它们的波和混合（FWSM）的实验观察和理论分析。通过在一维硅基HCG上添加额外的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）包层，研究组实现了q-BIC和导模共振（GMR）的同时激发，实现了两种模式之间的非线性耦合。宽带飞秒激发在可见范围内显示出多个不同的光谱峰，这归因于涉及q-BIC和GMR频率不同组合的FWSM过程。他们的显微镜测量进一步证实了产生的非线性信号在衍射级之间的重新分布。他们的研究结果展示了一种通过超表面剪裁非线性频率混合的新方法，利用多个非局部共振的相互作用，为可调谐频率转换、全光信号处理和非线性光子器件开辟了新的途径。

据悉，非线性超表面已经成为在纳米尺度上增强和控制光-物质相互作用的强大平台，使变频过程中设备的多功能和紧凑设计成为可能。

Title: Intrapulse multimodal four-wave sum mixing in the visible range from high contrast index grating with PMMA layer

Author: Franceschini, Paolo, Tognazzi, Andrea, Menshikov, Evgenii, Beliaev, Leonid Y., Malureanu, Radu, Takayama, Osamu, Alessandri, Ivano, Cino, Alfonso Carmelo, de Ceglia, Domenico, Lavrinenko, Andrei V., De Angelis, Costantino

Issue&Volume: 2026-01-05

Abstract: Nonlinear metasurfaces have emerged as powerful platforms for enhancing and controlling light-matter interactions at the nanoscale, enabling versatile and compact design of devices for frequency conversion processes. In this work, we report on the experimental observation and theoretical analysis of intrapulse four-wave sum mixing (FWSM) in a high-index contrast grating (HCG) supporting quasi-bound states in the continuum (q-BIC). By engineering a one-dimensional silicon-based HCG with an additional poly(methyl methacrylate) (PMMA) cladding layer, we achieve the simultaneous excitation of a q-BIC and a guided-mode resonance (GMR), enabling nonlinear coupling between the two modes. Broadband femtosecond excitation reveals multiple distinct spectral peaks in the visible range, attributed to FWSM processes involving different combinations of q-BIC and GMR frequencies. Fourier microscopy measurements further confirm the redistribution of the generated nonlinear signals among diffraction orders. Our results demonstrate a new approach to tailoring nonlinear frequency mixing through metasurfaces, leveraging the interaction of multiple non-local resonances, thus opening new pathways for tunable frequency conversion, all-optical signal processing, and nonlinear photonic devices.

DOI: 10.1038/s41377-025-02090-8

Source: https://www.nature.com/articles/s41377-025-02090-8