同济大学团队在3R-MoS2非线性光场强度与偏振调控方面取得系列进展
在微纳尺度上高效产生并精准调控非线性光场，是发展片上光源、光信息处理和量子光子器件的重要基础。具有菱方堆垛结构的3R-MoS2因反演对称性破缺而具有显著的二阶非线性，同时兼具高折射率和原子级平整界面，为构建范德华非线性光子器件提供了独特材料平台。然而，如何厘清材料吸收、光学共振与几何结构对谐波产生的影响，并进一步实现对谐波偏振态的调控，仍是该领域面临的关键问题。
围绕这一问题，同济大学物理科学与工程学院王占山教授和程鑫彬教授团队的江涛教授、黄迪教授及合作者，以3R-MoS2为统一材料平台，从非线性光强调控和非线性偏振调控两个层面开展了系列研究。相关成果分别以“Modulating nonlinear optical responses in 3R-MoS2 Fabry–Pérot microcavities”和“Polarization Engineering of Second-Harmonic Generation in 3R-MoS2 Waveguides”为题，于2026年6月2日和7月12日在线发表于《npj Nanophotonics》和《纳米快报》（Nano Letters）。两项工作从面外微腔和面内波导两种结构出发，系统拓展了3R-MoS2中非线性光场的调控维度。
在第一项工作中，研究团队主要关注3R-MoS2本征Fabry-Pérot（FP）微腔中的非线性强度调控。得益于3R-MoS2的高折射率，3R-MoS2本身形成了显著的FP共振。团队利用600-1570 nm范围的宽带反射光谱，对不同厚度薄片中的FP纵模进行无损测量，并结合传输矩阵模型实现精确的原位厚度标定，由此建立了从线性反射到二次、三次谐波产生的统一研究框架。
图1 3R-MoS2微腔非线性谐波强度受到基频FP共振、谐波FP共振和材料本征吸收调控的示意图
研究发现，3R-MoS2微腔中的非线性响应由基频FP共振、谐波FP共振和材料本征吸收共同决定。当谐波光子能量低于材料带隙、吸收较弱时，基频光与谐波光的FP共振协同参与调制，使二次谐波产生（SHG）光谱呈现交织的多重共振分支；当谐波光子能量高于材料带隙时，强吸收会耗散谐波场并抑制谐波频率处的FP共振，非线性响应主要由基频局域场增强决定。团队通过三次谐波产生（THG）以及短波长激发下的SHG实验验证了这一机制，实现了几何微腔效应与材料本征属性的有效解耦。
图2 不同厚度和激发波长下3R-MoS2微腔的SHG与THG响应
在第二项工作中，研究团队将关注点由谐波强度进一步拓展至谐波偏振态。团队通过边缘耦合方式将飞秒基频光耦入微米尺度3R-MoS2平面波导，并在输出端开展偏振分辨测量；结合波导模式分析和晶体对称性理论建模，建立了描述波导中SHG偏振态产生与传播演化的物理机制。
图3 3R-MoS2波导中二次谐波偏振工程的概念示意图
研究表明，3R-MoS2波导中的SHG偏振态并非由材料非线性系数单独决定，而是由波导厚度、晶体取向和传播长度共同调制。波导厚度通过改变TE/TM模式的局域能力和耦合效率，决定不同偏振分量的响应强弱；面内晶体取向则通过三重旋转对称性选择性调控非线性极化方向，使输出SHG偏振方向呈现接近三倍角的变化规律。
图4 晶体取向对3R-MoS2波导中SHG偏振态的调控
除厚度和晶体取向这两个静态参数外，研究还证明传播长度可以作为调控SHG偏振态的自由度。因为TE和TM二次谐波模式在传播过程中的振幅振荡与相位累积，不同长度的波导的输出偏振态会随传播距离连续演化。这使3R-MoS2波导能够在产生倍频光的同时实现类似片上非线性波片的功能。
两项工作分别研究了3R-MoS2中谐波强度如何形成和调制以及谐波偏振如何产生和演化两个相互关联的问题。系列成果推动二维材料非线性光子学由单纯追求转换效率，迈向对非线性光场强度、波长和偏振的协同设计，为波长选择性频率转换器、可重构非线性光源、偏振复用器件和量子光子芯片提供了新的设计思路。
两项工作均以同济大学为第一完成单位。同济大学博士生宋仁康、2023级本科生陈子烨和博士生徐俊波为《npj Nanophotonics》论文的共同第一作者，江涛教授、黄迪教授和徐俊波为共同通讯作者；同济大学王占山教授、韩国庆熙大学Junho Choi助理教授、俄罗斯圣光机大学Vasily Kravtsov助理教授等合作者作出了重要贡献。同济大学博士生宋仁康、徐俊波和尹彦振为《Nano Letters》论文的共同第一作者，江涛教授和黄迪教授为共同通讯作者；南洋理工大学胡光维教授，上海光学精密机械研究所王俊研究员、林锦添研究员、王高中副研究员，韩国浦项科技大学Kyoung-Duck Park教授，ITMO大学Ivan Iorsh教授、Vasily Kravtsov助理教授，以及澳大利亚国立大学卢岳瑞教授等合作者作出了重要贡献。系列研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市“曙光计划”、上海市科委、中国科学院战略性先导科技专项，以及韩国、新加坡相关科研项目的支持。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s44310-026-00136-2
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.6c01388
