据中国激光杂志社网，于2023年06月02日报道， 想要观察纳米尺寸的物质，传统的光学显微镜因放大倍率（亚微米级别）不足而无法实现，必须依靠超高分辨率显微镜或电子显微镜。但是这些设备受限于运行速度慢，体积庞大且价格昂贵，往往要花费百十万美元。随着科学技术的进步，从医学领域观察亚纳米尺寸的病毒、酶等生物分子，到芯片领域监测数纳米宽的沟道距离，对能够分析纳米尺寸物质的需求日益增长。
与使用红光作为光源相比，极紫外光（EUV）具有更短波长、更高频率，可以看到超越传统显微镜所能看到的东西, EUV光高频检测可以实现观察纳米尺寸物质，而高次谐波（HHG）是获得EUV和真空-UV光源的有效途径之一。
近期，澳大利亚国立大学和阿德莱德大学的研究人员通过纳米技术实现了在亚波长厚度的超表面上将照相机和其他技术所能检测到的光的频率提高到7倍。相关文章以High-harmonic generation from a subwavelength dielectric resonator 为题发表在Science Advances上。
论文信息：Zalogina et. al.,High-harmonic generation from a subwavelength dielectric resonator, Sci. Adv.9, eadg2655 (2023)
通过亚波长谐振器，获得7次谐波效果
Zalogina等人通过一个由AlGaAs材料制成的亚波长（超表面）谐振器，获得了高达7次的谐波效果，使得非线性过程的效率显著提高，高次谐波源的尺寸大大缩小，为实现真空紫外线（UV）和极紫外线(EUV)光谱范围内的光源的小型化奠定了理论基础。
由高折射率电介质制成的亚波长粒子可以被塑造成支持共振的光学模式，能够将非线性光和物质相互作用的效率提高几个数量级。亚波长谐振器的非线性光学最初主要是对二阶和三阶非线性过程的研究，如二次和三次谐波的生成。这种低阶非线性光学过程通常是在微扰近似中描述的，它假定非线性材料的偏振只是对其线性对应物的微小扰动，因此，入射光束只能轻微扰动材料的特性。
然而，用脉冲激光系统进行足够强度的激发可以将材料带入非微扰性非线性的体系。非微扰非线性光学的一个典型过程是高次谐波（HHG）。历史上，HHG只能通过气体或等离子体的非线性实现，直到最近，固体物质相关的HHG才被相关研究证实，为纳米光子学中的高阶非线性开辟了一条道路。如图1所示，研究人员展示了一个按比例缩小到单个电介质纳米粒子的次波长体积的HHG源（见图1），高度为0.4泵浦波长，直径为0.55波长，通过控制谐振器的几何形状，以支持与中红外光谱范围内连续体中的准结合态相关的光学模式，实现了单电介质亚波长谐振器被3.5-4μm中红外（MIR）脉冲激光器激发并产生可见光范围内的第5和第7级次高阶谐波。
在理论设计的基础上，研究人员用Al(0.2)Ga(0.8)As的材料组分制备了晶轴方向为[100]的独立共振器。谐振器的高度固定在1384 nm，同时通过改变它们的半径实现各向异性。过程中使用电子束光刻技术，然后用干法蚀刻来控制谐振器的几何形状，然后将谐振器转移到涂有300 nm ITO和700 nmAl2O3层的玻璃衬底上(图1B)。
图2展示通过单个谐振器产生的五阶和七阶谐波的实验结果。图2B显示了对应于BIC共振的共振盘直径的泵浦波长扫描, 第7阶谐波信号在3750 nm左右的激发波长下有明显的共振增强。同时图2C证实了谐振器的性能对直径的强烈依赖性。图2D表明产生的第五和第七次光学谐波的功率与泵浦功率呈正相关线性关系。
产量每增加1%，可以节省约20亿美元成本
研究人员实现了通过单一电介质亚波长谐振器生产第五和第七阶光学谐波。第七阶谐波产生增强效应来源于准BIC（bound states in the continuum，连续体束缚态）状态相关的谐振模式驱动。高阶谐波的功率依赖性表明，这些过程可能包括级联生成和非微扰的非线性相互作用。光学模拟表明，电子在亚波长谐振器内的量子尺寸限制是产生非微扰高阶谐波的主要因素。于此同时，研究人员还分析了光生载流子（非微扰起源）的贡献和二、三次谐波的级联混频（扰动起源）。高阶谐波的产生是实现真空紫外线（UV）和极紫外线(EUV)光谱范围内的光源的途径之一。该研究结果表明，通过利用高折射率电介质粒子中的光学共振，可以使这种光源在固态系统中向亚波长尺度小型化。
论文的通讯作者Kruk教授指出，高阶光学谐波领域的研究成果可以用于改善半导体行业的质量控制。制造商可以使用极紫外光源来实时监测芯片生产过程，以便及早发现问题并及时中止坏批次芯片的生产，大大节省物料成本和时间，从而提高芯片制造的产量。据悉对于向台积电这样的芯片公司而言，产量每增加1%，可以节省约20亿美元成本。
