研究探索光子学新进展

光通常用波长、振幅、相位和偏振等属性来描述。光学领域的进展表明，光还可以被塑造成被称为“结构光”的复杂空间图案，从而为信息承载和与物质相互作用开辟新途径，应用于成像、光通信和信息处理。

用传统光学方法在不同波长下生成结构光仍然困难。非线性光学和超表面提供了有前景的解决方案，因为它们能够在纳米尺度上精确调控光。然而，设计出能在基频和谐波频率下都高效工作的超表面依然不易，材料吸收也会降低转换效率。

最近，IEEE Photonics Journal 发表的一项研究探讨了非线性超表面中新提出的拓扑印刻概念，将其视为非线性波前工程的一种新范式。

Natalia M. Litchinitser 博士解释说：“在拓扑印刻中，基频光场的空间拓扑会直接转移到所产生的谐波辐射上，这为生成结构光提供了新途径，同时克服了材料和纳米加工方面的限制。”

该研究还在 JSTQE“用于气候变化减缓与适应的光子学”特刊中得到专题介绍，凸显了光子技术在应对当今气候挑战方面的相关进展。

这篇综述讨论了拓扑印刻背后的物理机制，并重点介绍了关键实验演示。该概念已利用由亚波长谐振器构成的全介质超表面在实验上实现。利用这种方法，研究人员生成并保持了多种结构光场，包括携带轨道角动量的光学涡旋光束和光学霍普夫链环。其中一个突出演示是产生三次谐波涡旋光束，并保留基频光束的空间拓扑；传统方法很难做到这一点。

该研究还讨论了当前面临的挑战，包括超薄超表面中非线性频率转换效率相对较低、现有非线性材料带来的限制，以及规模化并集成到片上光子平台的困难。

展望未来，作者指出了几个有前景的研究方向，包括开发低损耗、高非线性材料，将主动可调功能融入超表面设计，以及利用机器学习优化器件性能。

Litchinitser 表示：“非线性拓扑印刻有望为能够生成复杂结构光场的紧凑型光子平台铺平道路，并可影响全息术、光通信、量子光子学和先进成像系统等广泛领域。”

总体而言，这篇综述强调，拓扑印刻是一种有前景的策略，可用于产生和调控复杂光场，同时在不同波长下保持其独特结构，从而为紧凑型下一代光子技术铺平道路。

DOI：10.1109/jphot.2026.3694621