推荐论文 | 全介质超晶格超表面中基于位移调控的连续体束缚态

论文导读

      连续体中的束缚态（BICs）是在连续光谱范围内与扩展波共存的局域态，具有无限的寿命，没有任何辐射。为了从BIC中提取高Q准BIC共振以供实际应用，通常采用对称性破缺的方法，即打破激发场对称性或结构对称性的方式来提供局域态与外界的耦合。暨南大学纳米光子学研究团队于2021年4月25日在 PhotoniX 期刊在线最新发表论文“Displacement-mediated bound states in the continuum in all-dielectric superlattice metasurfaces”。本论文介绍了一种基于相对位移调控的全介质超晶格超表面，它可以将BIC态对称兼容地转换为高Q的准BIC模。该超表面是由多个纳米棒组成的超晶格，支持磁模和环形模，具有很大的可调性。这两种模式都可以通过介质纳米棒之间的位移来与入射光连续体相互作用，从而实现具有高Q因子的双Fano共振，在生物分子传感和低阈值激光等领域有着广泛的应用前景。

研究背景

      超表面由精心设计的纳米结构周期性阵列组成，为精确控制光的特性提供了集成化多功能平台。近年来，具有强模耦合的超高Q因子谐振结构引起了人们的广泛关注。而BIC因为其具有“无限Q因子”，当系统稍微偏离理想情况时，BIC模式将转化为具有有限高Q因子的Fano共振，即所谓的“准BIC”。

      BIC可分为对称保护型BIC与共振耦合型BIC。对称保护型BIC源于受结构面内对称性控制的某些模式的激发条件限制。可以通过适量破坏结构的对称性，将BIC转换为超窄线宽的Fano共振，获得超高Q因子的共振模式。而Q因子可以很容易地通过不对称度来调节。基于对称性保护的BIC，以前的大部分工作通过斜入射破坏激发场的对称性或引入结构非对称性的方式，将BIC转化为高Q准BIC。原则上，BIC也可以起源于非Γ点的其他高对称点（如X点或M点）的束缚态。通过位移调控扰动周期性结构的最简晶胞，可以将光锥（束缚态）下方的高对称点折叠到光锥上方（连续体）。

技术突破

      本研究工作报道了一种基于位移调控的全介质超晶格超表面，它通过晶格变换支持对称性兼容的准BIC。超表面由多个平行纳米棒组成，具有特定的全局和局部位移，分别由相邻单元中纳米棒间的距离和每个单元中纳米棒之间的距离来定义（图1）。通过对单个纳米棒的相对位移设计，将简单晶格转化为超晶格，从而与垂直入射光进行可控耦合，将高Q因子准BIC共振可以从理想的BIC中提取出来。Y偏振光激发（图1）的环形模准BIC和X偏振光激发（图2）的磁偶极模准BIC的带宽可以通过每个单元中纳米棒之间的局部位移来调节。此外，环形模导致的准BIC可以同时调控带宽和共振位置，而磁模式导致的准BIC只能调控共振的带宽但位置几乎不变。这种基于位移调控的BIC超晶格超表面可以在不同偏振条件下选择性调控准BIC的带宽和位置。有望开发高性能生物分子传感器及低阈值激光器等应用器件。

结论

      本研究工作提出了一种由多个平行硅纳米棒组成的全介质超晶格超表面，通过纳米棒之间的位移调控，可以获得高Q因子的准BIC共振。位移调控的BIC模来源于超表面模式的共振耦合，具有对称兼容特性。当局部位移与全局位移略有不同时，超晶格超表面既支持环形模式准BIC，也支持具有极高Q因子的磁偶极模式准BIC。这种位移调控方式可以更容易更精确的调节Q因子，并且可以在不同偏振下选择性调控共振的带宽和位置。由于准BIC的高Q因子的可调控性，该研究结果为诸多急需高Q因子的应用平台提供了契机，如高灵敏度的传感器、非线性光子超表面及高性能激光等。

主要作者

    史坦，暨南大学光子技术研究院光学工程专业博士研究生，研究方向为微纳光子学和超构表面。

    邓子岚，副教授，博士生导师。2009年与2014年在中山大学分别获得学士与博士学位，2014年至2016年在深圳大学-新加坡国立大学光电科技协同创新中心从事博士后研究工作，2016年以来入职暨南大学光子技术研究院任副教授，2019年赴美国纽约市立大学Andrea Alù组从事访问学者研究。他长期从事微纳光子学研究，致力于基于表面等离激元与矢量超表面光栅微纳结构的新型光场调控，率先提出使用超构表面实现任意矢量全息的产生与控制，其研究工作在矢量彩色全息显示、偏振全息编码与加密、人工智能光子器件逆向建模算法、新型光子与电磁波集成器件等应用领域展开与延伸。他的研究成果在光学及纳米科技高水平期刊Light: Science& Applications, Nano Letters, Advanced Functional Materials, Photonics Research等上发表论文30余篇，其中包括ESI高被引论文3篇；撰写超表面全息英文专著1部；获得超表面全息防伪方面的授权发明专利2项；担任Frontiers in Photonics期刊客座编辑，Nature Communications, ACS Photonics, Advanced Optical Materials, Optics Letters, Optics Express等期刊审稿人。

    李向平，暨南大学光子技术研究院研究员、博士生导师，2009年在澳大利亚斯威本科技大学微光子中心获得博士学位。2009年至2015年在微光子中心从事博士后研究工作。2011年荣获澳大利亚研究委员会项目资助并授予APD Fellowship；2013年荣获澳大利亚维多利亚州Victoria Fellowship；2014年荣获澳大利亚研究委员会项目资助并授予DECRA Fellowship。2015年受聘暨南大学光子技术研究院并组建纳米光子器件课题组，同年荣获基金委优秀青年项目资助。其主要研究方向包括微纳光学、等离激元、超表面以及光存储等。

• PhotoniX是中国光学工程学会新办会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编，拥有强大的国际编委和编辑团队。属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。PhotoniX主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

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