全介质非线性超表面的逆向设计

非线性超表面由于共振与材料特性之间的相互作用，为实现具有新颖且无与伦比行为的光学非线性器件提供了新范式。然而，非线性光学信号的效率与发射方向性对共振的存在、局域化、寿命以及非线性材料特性的复杂依赖，使得使用传统材料和设计方法难以优化超表面。逆向设计是光子结构设计的强大工具，但为线性光学发展起来的传统方法不适用于此类高维非线性问题。在此，我们采用拓扑优化方法逆向设计了一种对制造误差具有鲁棒性的非线性超表面，该超表面集成了量子工程化的非线性共振，用于高效且定向的二次谐波产生。我们进一步表明，在实际约束下，非线性模式重叠是决定转换效率的关键参数，这与通常强调 Purcell 增强的直觉驱动研究形成对比。我们的结果为优化纳米光子结构中的非线性过程开辟了新途径，对新型光源、量子信息应用和通信技术具有重要意义。