北理工團(tuán)隊(duì)在光學(xué)連續(xù)譜束縛態(tài)研究方面取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期:2025-12-04 供稿:物理學(xué)院 攝影:物理學(xué)院
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日前,北京理工大學(xué)物理學(xué)院張向東教授團(tuán)隊(duì)與復(fù)旦大學(xué)物理系資劍、石磊教授團(tuán)隊(duì)合作,在“光學(xué)連續(xù)譜束縛態(tài)”研究方面取得重要進(jìn)展。該研究首次通過在超原胞中引入鏡像無序的方式,理論提出光學(xué)連續(xù)譜準(zhǔn)束縛平帶(quasi bound flat-bands in the continuum, quasi-BFICs)的概念,即全能帶模式均具有高品質(zhì)因子且無色散的新奇光學(xué)模式。隨后,利用數(shù)值與理論分析,解釋了quasi-BFICs的產(chǎn)生機(jī)理,并通過測量角分辨等頻率譜、動(dòng)量空間的等頻率散射圖樣,對(duì)其平帶色散與廣角度的高品質(zhì)因子進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該研究為構(gòu)建魯棒性強(qiáng)且廣角度范圍的高品質(zhì)因子模式提供了全新思路。相關(guān)成果發(fā)表于Nature Communications [Nat. Commun. 16, 10835 (2025)]上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助。北京理工大學(xué)物理學(xué)院博士生秦皓宇、張蔚暄教授以及復(fù)旦大學(xué)物理系博士生陳劭虎為論文共同第一作者。張向東教授、石磊教授和張蔚暄教授為通訊作者。另外,北京理工大學(xué)張慧珍副研究員,復(fù)旦大學(xué)資劍教授、中科院物理所潘如豪工程師和李俊杰研究員也對(duì)此工作做出了重要貢獻(xiàn)。
連續(xù)譜束縛態(tài)(Bound states in the continuum, BIC)是指能量位于擴(kuò)展態(tài)的連續(xù)譜中,卻表現(xiàn)為完美束縛態(tài)的特殊能態(tài)。BIC的概念最早在量子體系中提出,隨后在各類波動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛研究。由于其超高的品質(zhì)因子(Q值),基于光子晶體平板的BIC已成為研究光與物質(zhì)強(qiáng)相互作用的理想平臺(tái)。然而,傳統(tǒng)準(zhǔn)BIC僅存在于動(dòng)量空間中極窄的區(qū)域,對(duì)激發(fā)角度極為敏感,使其有效角度非常小,且在實(shí)際制備中因結(jié)構(gòu)誤差導(dǎo)致Q值顯著下降,嚴(yán)重制約其廣泛應(yīng)用。近年來,研究者提出了多種增大BIC有效角度范圍的方法,如Merging BIC、Super BIC和Moiré BIC等,但仍未能實(shí)現(xiàn)在整個(gè)動(dòng)量空間中均具備高Q值的光學(xué)模式。如何在保持高Q值的同時(shí),進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)寬角度、抗擾動(dòng)的光學(xué)共振,成為該領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題。
雖然許多研究已證明在結(jié)構(gòu)中引入無序會(huì)引發(fā)光的局域化現(xiàn)象,如隨機(jī)激光發(fā)射和安德森局域化等,甚至通過對(duì)無序的特殊設(shè)計(jì),可以增強(qiáng)波在無序結(jié)構(gòu)中的傳輸能力。然而,在基于光子晶體平板的連續(xù)譜束縛態(tài)研究中,所有已有理論和實(shí)驗(yàn)均表明,無序會(huì)導(dǎo)致布洛赫波的顯著散射,從而嚴(yán)重降低BIC的品質(zhì)因子,限制其實(shí)際應(yīng)用。不同于前期工作,在這個(gè)工作中我們證明通過引入無序和特殊設(shè)計(jì)能增強(qiáng)BIC的角度范圍與魯棒性。
研究亮點(diǎn)之一:提出“光學(xué)連續(xù)譜準(zhǔn)束縛平帶”新概念,突破傳統(tǒng)準(zhǔn)BIC激發(fā)角度制約
研究團(tuán)隊(duì)首次提出了“連續(xù)譜準(zhǔn)束縛平帶” 的概念,即在光子晶體平帶中,每一個(gè)布洛赫模式均具備準(zhǔn)BIC特性,從而在整個(gè)動(dòng)量空間中實(shí)現(xiàn)高Q值共振。對(duì)于傳統(tǒng)模式,僅當(dāng)激發(fā)角度與BIC附近的動(dòng)量基本匹配時(shí),結(jié)構(gòu)才可以展示高Q值共振,而當(dāng)激發(fā)角度與BIC模式產(chǎn)生偏移,結(jié)構(gòu)的共振響應(yīng)會(huì)急劇減小,同時(shí)響應(yīng)頻率產(chǎn)生偏移(圖1b),這嚴(yán)重限制了BIC的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。而quasi-BFICs則實(shí)現(xiàn)了全動(dòng)量空間的高Q響應(yīng),同時(shí)平帶色散結(jié)構(gòu)確保了全角度的同頻響應(yīng),極大增強(qiáng)了對(duì)激發(fā)角度的魯棒性(圖1a)。

圖1 準(zhǔn)BFIC模式與傳統(tǒng)BIC模式的激發(fā)對(duì)比
研究亮點(diǎn)之二:揭示了無序隨機(jī)產(chǎn)生quasi-BFICs的物理機(jī)制
為構(gòu)造quasi-BFICs,研究團(tuán)隊(duì)在一維硅光子晶體平板中,選定特定大小的超原胞,并在超原胞內(nèi)部隨機(jī)調(diào)制每個(gè)超胞中硅柱的寬度,該無序滿足鏡面對(duì)稱性并以超原胞為周期在空間上重復(fù)(圖2a和2c)。隨著無序強(qiáng)度增加,有概率產(chǎn)生平帶色散,表現(xiàn)為局域化的本征模式。值得注意的是,其中的部分平帶進(jìn)一步表現(xiàn)出了全動(dòng)量空間的高Q值模式,即能帶上的模式均為準(zhǔn)BIC。通過大量統(tǒng)計(jì)模擬發(fā)現(xiàn),存在最佳的無序強(qiáng)度,使得系統(tǒng)產(chǎn)生高Q平帶的概率最高(圖2d-2e)。進(jìn)一步分析表明,此時(shí)平帶本征場在實(shí)空間中呈指數(shù)局域分布,其傅里葉分量在動(dòng)量空間中主要集中在非輻射區(qū)域,這極大地抑制了模式的輻射。而在可輻射動(dòng)量空間內(nèi)存在多個(gè)拓?fù)浜?,進(jìn)一步有效抑制了能帶模式的輻射損耗(圖2h-2j)。

圖2 準(zhǔn)BFIC的設(shè)計(jì)與理論結(jié)果
進(jìn)一步通過理論分析與數(shù)值模擬(圖3),研究團(tuán)隊(duì)揭示了quasi-BFICs的形成源于三個(gè)關(guān)鍵因素的協(xié)同作用:能帶折疊、模式局域化與多拓?fù)浜傻某霈F(xiàn)。并揭示了本征模式的場分布的關(guān)鍵特征對(duì)于拓?fù)浜僧a(chǎn)生的影響。其中結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性是拓?fù)浜傻漠a(chǎn)生的必要條件,這也是引入無序呈鏡面對(duì)稱的原因。值得注意的是,研究人員證實(shí)了結(jié)構(gòu)無序并非總會(huì)降低共振模式的品質(zhì)因子,在一定強(qiáng)度下反而能產(chǎn)生超過15% 的高Q平帶。

圖3 準(zhǔn)BFIC模式的解析分析
研究亮點(diǎn)之三:實(shí)驗(yàn)觀測到寬角度高Q準(zhǔn)BFIC共振
為驗(yàn)證理論結(jié)果,研究團(tuán)隊(duì)首先制備了具有鏡面對(duì)稱無序(基于上述理論方法隨機(jī)產(chǎn)生)的一維光子晶體樣品(圖4a-4b),并分別通過角分辨透射譜(圖4c)與等頻率面成像(圖5a)兩種方法對(duì)樣品進(jìn)行觀測。在觀測角分辨透射譜時(shí)(圖4d-4e),可以看到角分辨透射譜與仿真計(jì)算的能帶結(jié)構(gòu)基本相符,但平帶結(jié)果并未觀測到,這是由于該譜線儀的可分辨波長大于高Q值模式的譜線線寬,只能觀測到Q值較低的模式,側(cè)面證實(shí)了quasi-BFICs的存在。

圖4 角分邊透射譜的測量結(jié)果
對(duì)于quasi-BFICs的直接實(shí)驗(yàn)觀測則由等頻率面成像系統(tǒng)給出。該系統(tǒng)通過波長可調(diào)激光器作為光源,對(duì)不同波長下動(dòng)量空間的等頻率譜進(jìn)行激發(fā),基于激光良好的單頻性,直接觀測到了quasi-BFICs對(duì)應(yīng)的等頻率線(雙平行線線型),并與仿真結(jié)果符合良好(圖5b-5g)。進(jìn)一步通過散射光譜測量,發(fā)現(xiàn)在入射角從18.3°至47.4°的寬范圍內(nèi),共振Q值均穩(wěn)定在8000左右(圖5h-5k),遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)BIC在偏離Γ點(diǎn)后急劇下降的Q值。

圖5 等頻率圖像的測量結(jié)果與模式Q值的測量
本研究首次提出并論證了“光學(xué)連續(xù)譜準(zhǔn)束縛平帶”,即全帶表現(xiàn)為準(zhǔn)BIC的奇異光學(xué)模式。通過理論與數(shù)值方法,研究者確定了產(chǎn)生連續(xù)譜準(zhǔn)束縛平帶的最佳無序強(qiáng)度,并對(duì)其產(chǎn)生原因與設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了詳盡的研究。最終在實(shí)驗(yàn)上對(duì)該光學(xué)模式的存在進(jìn)行了驗(yàn)證,在廣角范圍測量得到了8000左右的品質(zhì)因子。該工作不僅挑戰(zhàn)了無序必然降低BIC品質(zhì)因子的傳統(tǒng)認(rèn)知,更提出了一種利用無序增強(qiáng)光學(xué)功能的反直覺策略,為光子技術(shù)的未來發(fā)展鋪平了道路,并有可能徹底改變基于BIC的高效、廣角響應(yīng)和容錯(cuò)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。
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