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JOPT编辑优选：双层光栅中连续体中的束缚态研究

26 2月 2024 gabriels

本篇研究来自山东高等技术研究院吴小虎课题组。本研究对调控参数更多但研究较少的双层光栅中对称保护的BIC及偶然BIC进行了细致的数值研究。

文章介绍

Quasi-Bound States in Continuum in Double-Layer Silicon Gratings

Kun Yu(于坤), Feng Song(宋风), Zhangxing Shi(石章兴), Hongju Li(李洪炬), Yufang Liu(刘玉芳) and Xiaohu Wu(吴小虎)

通讯作者：

吴小虎，山东高等技术研究院

研究背景：

连续介质中的束缚态(BICs)在理论上已知具有无限的寿命和Q因子。然而，由于现实中难以实现，往往在结构上引入对称性破缺，将对称保护的BICs(SP-BICs)转化为具有极高Q值的准BICs (q-BICs)。因此，可以利用q-BICs来提高光学传感器的Q值。光栅作为一种简单的超表面被应用于光学领域的各个方面，但单层光栅的可调控参数较少，不利于光学传感器件的设计及调控。因此，本文对调控参数更多但研究较少的双层光栅中对称保护的BIC及偶然BIC进行了细致的数值研究。

研究内容：

在该器件中，二氧化硅( SiO₂ )作为衬底，Si作为光栅材料。光栅层由周期相同但高度和宽度不同的两层组成。

在TM偏振的情况下，通过将第一层光栅在正x方向上整体平移距离a来打破结构对称性，从而获得准BIC。随着位移距离a从-16nm变化到16nm，峰值点处的波长随位移距离呈线性变化，两条虚线的交点代表理想的BIC点。而在峰值点的磁场则是强度相反、关于中心轴对称，这是典型的Fano共振。

Q因子在传感器等器件中极为重要，而BICs由于其极小的能量泄漏可以实现高Q因子。通过打破结构对称性得到的q-BIC的Q因子一般与不对称程度成反比。随着位移距离a的增加，不对称程度的增加导致更高的能量泄漏，从而导致Q因子的快速下降。然而，Q因子在位移距离为零附近呈指数增长，对应于能量泄漏几乎不可观测的理想BIC点。而峰值点处的波长随位移距离呈线性变化。

最后，通过精确设计光栅的结构参数，我们同时得到了Γ点处的BIC和非Γ点处的BIC。设α=2a/w为不对称度。可以看出，在波长约为1.6μm处出现了非Γ点处的BIC(黑圆的中心是非Γ点的BIC)，对应的不对称度α=0.065。随后，观察了不同不对称程度下的反射谱。当α=0时，两个波段均未产生共振。当α=0.065时，仅在波长约为1.16μm处产生小的共振，在波长约为1.6μm处共振产生的反射率没有变化。当不对称性α增加0.2时，两个谱带都有明显的共振谷。我们进一步考察了两个波段的Q因子，确定在波长约为1.6μm处，当不对称性为0.065时，存在非Γ点BIC。波长为1.16μm处为Γ点处的BIC。这种现象在单层光栅中是不可能产生的，但这种双层结构给与了更多的自由度来进行精确调控，更有利于结构的设计。

作者介绍

吴小虎研究员

山东高等技术研究院

吴小虎，1992年生，山东高等技术研究院研究员，山东省优青，山东省泰山学者青年专家，国际传热传质中心理事会成员，济南市科协科技创新智库专家服务团成员, 上海市热物性大数据服务中心青年委员会委员。主要从事辐射换热、太阳能光热利用、微纳光子学等领域的研究，以第一或通讯作者在SCI期刊发表论文100余篇，入选美国斯坦福大学发布的“全球前2%顶尖科学家（2023）”榜单。

期刊介绍

Journal of Optics

2022年影响因子：2.1 Citescore: 4.1
Journal of Optics（JOPT）出版光学方面的实验和理论研究论文，研究领域包括：纳米光子学和等离激元光子学；超构材料和结构化光子材料；量子光子学；生物光子学；光与物质的相互作用；非线性和超快光学；光的传播、衍射和散射；信息和通信光学；集成光学；光伏和能量收集。除原创性研究外，JOPT还出版专题综述，为研究人员带来高质量的内容。所有JOPT文章还提供HTML阅读模式，方便研究人员使用手机或平板进行阅读。