OEA丨电场诱导二次谐波效应开启非线性光子学新篇章。
Opto-Electronic Advances论文推荐哈尔滨工程大学与俄罗斯圣光机大学(ITMO University)的研究团队系统总结了电场诱导二次谐波(EFISH)效应的物理机制、材料平台、场调控策略及前沿应用 ，为未来开发基于硅基光子学的高效、可重构非线性光源及探测器指明了方向。
文章 Fan HK, Proskurin A, Song MZ et al. Electric-field-induced second-harmonic generati on. Opto-Electron A dv 9, 250193 (2026).
第一作者：樊航凯
通信作者 ：Andrey Bogdanov
研究背景
非 线 性 光 学 是 现 代 光 子 学 的 基 石 之 一 ， 其 中 二 次 谐 波 产 生 (second-harmonic generation, SHG)作为最基本的二阶非线性过程 ，在激光变频、显微成像、量子光源以及光通信等领域发挥着不可替代的作用。 自1961年Franken等人首次在石英晶体中观察到SHG现象以来 ，这一领域经历了蓬勃的发展。从物理机制上讲， SHG源于光与物质相互作用时产生的非线性极化 ，这一过程对材料的晶体对称性有着严苛的要求。在电偶极近似下 ，本征的二阶非线性极化率χ(2)仅存在于非中心对称(non-centrosymmetric)材料中 ，如铌酸锂(LiN bO3)或砷化镓(GaAs)等。
然而 ，这一物理铁律成为了硅基光子学发展的巨大障碍。作为集成光电子领域的主流平台 ， 硅 (Si) 、 二 氧 化 硅(SiO2)以 及 氮 化 硅(Si3N4)等 材 料 受 限 于 其 中 心 反 演 对 称(centrosymmetric)的晶体结构 ，其体内的本征二阶非线性系数为零 ，理论上无法产生SHG。为了在这些CMOS兼容的材料中实现二阶非线性功能 ，研究人员不得不诉诸于异质集成、利用表面界面效应或引入应力等复杂手段 ，但这些方法往往面临效率低、工艺复杂等挑战。
在 这 一 背 景 下 ， 电 场 诱 导 二 次 谐 波 产 生(electric-field-induced second-harmonic generation, EFISH)效应作为一种巧妙的对称性破缺 策略 ，重新引起了学术界的广泛关注 ，如图1所示。 EFISH效应的本质在于 ：通过在该类材料中施加一个静电场(DC场) ，使原本对称的电子势场发生畸变 ，从而打破材料的空间反演对称性。这种外场诱导的对称性破缺 ，能够产生一个等效的二阶非线性极化率χ(2) =χ (3)EDC ，其中χ(3)为材料本征的三阶非线性极化率。这一机制不仅使得在硅等中心对称材料中实现SHG成为可能 ，更重要的是， 它引入了一个可调控的自由度——电场 。通过改变外加电压或利用光生电场 ，可以动态地调制非线性信号的强度、相位甚至偏振态。这一特性为实现电控非线性
超构表面、可重构光子芯片以及新型载流子动力学探测技术提供了全新的物理基础，是推动下一代智能、可调谐非线性光子器件发展的核心动力。
本文亮点
哈尔滨工程大学与俄罗斯圣光机大学(ITMO University)的研究团队在综述文章中系统总结了电场诱导二次谐波(EFISH)效应的物理机制、材料平台、场调控策略及前沿应用。该工作以 Electric-field-induced second-harmonic generation 为题发表在Opto - Electronic Advances 2026年第1期。
本文首先从理论层面阐述了SHG的物理机理。基于量子数守恒定律 ，本文系统分析了体块材料(具备连续平移对称性)与亚波长结构(平移对称性破缺)对相位匹配与模式匹配的不同要求 ，如图2所示。
尤为重要的是 ，本文清晰地厘清了EFISH与电流诱导二次谐波(CISH)及量子限域斯塔克效应(QCSE)的物理本质区别。虽然这三者都能实现电学调控的SHG ，但EFISH主要源于静电场对电子波函数的畸变 ，而CISH源于载流子在动量空间分布的不对称， QCSE则多见于低维量子阱结构中的外加偏置电压导致谐振 χ (2) 幅值和相位的变化 ，如图3所示。这种理论上的正本清源对于设计新型器件至关重要。
在材料体系方面 ，文章不仅涵盖了传统的体块晶体和聚合物 ，还重点介绍了新兴的材料平台。特别是在范德瓦尔斯(vdW)材料和铁电材料中 ，文章展示了如何利用层间堆叠工程 、激子共振以及极性斯格明子(polar skyrmions)等拓扑结构来增强EFISH响应 。 例如 ，在铁电超晶格中 ，利用电场操控斯格明子的湮灭 ，可以实现巨量的SHG调制深度。
在实现策略上 ，文章深入探讨了如何构建打破对称性的电场这一核心问题。 除了传统的外部电极(如金属-半导体-金属结构、 p-i-n结)外 ，文章特别强调了全光诱导的相干光电流效应(coherent photogalvanic effect, CPE) 。这是一种无需外接电极 ，仅利用光场自身的干涉在波导或微环谐振腔内部刻写 出周期性电场光栅的技术。这种自组织的χ (2)光栅能够自动满足准相位匹配(QPM)条件， 在氮化硅微环中实现了极高的转换效率。
此外 ，文章还结合了超构表面(metasurfaces)与米氏共振(Mie resonance)等纳米光子学概念 ，探讨了如何通过光场局域化进一步提升EFISH效率 。研究指出 ，将EFISH与连
续域束缚态(BIC)等高Q值模式结合 ，通过电学手段动态调控超构表面的非线性波前(如光束偏转、聚焦) ，是未来非线性光子器件的重要发展方向。
最后 ，文章展示了EFISH作为一种灵敏的非接触式探针在探测半导体器件、太阳能电池以及铁电材料内部载流子动力学方面的独特应用 。利用时间分辨的EFISH技术 ，研究人员可以捕捉到皮秒甚至飞秒量级的载流子迁移与界面电荷转移过程。综上所述 ，该综述不仅为理解EFISH物理机制提供了教科书式的参考 ，也为未来开发基于硅基光子学的高效、可重构非线性光源及探测器指明了方向。
图1 综述涵盖关键主题的示意图。 EFISH效应源于电子动力学与非线性光子学之间的紧密耦合。根据EFISH的功能特性 ，相关研究可归纳为三个主题： (i)非线性材料工程； (ii)静电场工程； (iii)基础电场工程
图2 二次谐波产生(SHG)的基本原理。 (a)说明SHG的能级示意图 ，高效的非线性谐波产生需要同时满足相位匹配和模式匹配；(b)基于平移对称性的相位匹配与模式匹配示意图。在保持平移对称性的系统中(例如体介质、波导和微环)，动量是一个定义明确的量子数，因此相位匹配至关重要。当平移对称性被破坏时(例如超表面的单元结构、光子晶体缺陷腔和纳米颗粒)，相位匹配条件被放宽，模式匹配则主导这一非线性过程
图3 EFISH、CISH和QCSE的不同机制。 (a, b)在中心对称材料中 ，动量空间中的对称电子分布(蓝色区域)对应于实空间中的偶对称势，导致二次谐波极化相互抵消，从而禁止了二次谐波产生(SHG)； (c)外加电场的施加通过在±k动量态之间诱导非对称电子势 ，打破了中心对称性 (EFISH)；(d)在高载流子浓度的材料中，静电场被屏蔽，载流子运动(电流)通过动量空间中的非对称电子分布打破对称性 (CISH)； (e) EFISH和CISH都打破了反演对称性 ，导致非偶势函数的出现 ，从而产生具有色散的有效二阶非线性极化率χ(2)； (f, g)激子的形成或子带间跃迁(IST)导致χ(2)的共振增强。施加静电场通过斯塔克效应(Stark effect)修正电子能带结构 ，从而调制这种共振χ(2)
研究团队简介
本文由哈尔滨工程大学青岛创新发展基地 、 哈尔滨工程大学物理与光电工程学院以及俄罗斯圣光机大学(ITMO University)物理与工程学院的联合研究团队完成。
通讯作者Andrey Bogdanov教授是纳米光子学领域的知名专家 ，主要研究方向包括全介质超构表面 、米氏共振理论 、连续域束缚态(BIC)以及非厄米光子学 。他在利用高Q值谐振态增强光与物质相互作用方面有着深厚的造诣。
该联合团队在Science、 Physical Review Letters等国际顶尖期刊上发表了多篇高水平论文 ，在非线性超构表面与拓扑光子学领域保持着活跃的国际合作与前沿探索。
Andrey Bogdanov
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来源：光电期刊
