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08
2025
-
06
介质超构表面非对称形与 q-BICs 中 Q 值的关系
作者：
对称性保护连续体束缚态（symmetry-protected bound states in the continuum ，SP-BICs）是连续体中束缚态的一种，可以通过打破结构的对称性转化为准连续体束缚态（quasi-BICs），quasi-BICs具有有限但是依然很高的品质因子（quality factors,Q-factors）。
对于打破结构对称性使BICs转换为quasi-BICs的工作也有很多，然而，对于不同类型的对称破缺的方案下，非对称参数与quasi-BICs的Q值的依赖关系依然有待探究。
最近一篇题为“Engineering High Quality Quasi-Bound States in the Continuum Through Controlled Symmetry Breaking in All-Dielectric Metasurfaces”发表在Laser & Photonics Reviews一篇文章表示：Q值与超构表面结构非对称参数之间的关系可以通过本征场的微扰理论进行解释。该研究成果来自华东师范大学黄陆军研究团队。
该工作也利用提出思想设计了Q-factors大于的结构，对于指导设计高Q值的超构表面具有重要意义。
文章对偏心孔、U型结构、L型结构非对称超构表面结构进行研究，同时利用公式拟合，评估结构的Q值与非对称参数之间的关系，研究发现拟合曲线中的截距和斜率都是可以通过这些非对称参数进行调控。
文章针对以上提出的三种结构，做了数值计算与实验。分析了结构的模式场、多极散射分解以及Q值等参数，证明了文中提出的非对称参数对结构由对称保护连续体束缚态向准连续体束缚态的调控转换。
文章系统的研究了由矩形硅纳米柱阵列构成的全电介质超表面所支持的准束缚态的品质因数受对称性破缺的影响。通过以上三种对称性破缺方式将对称性保护束缚态转化为具有定制化 Q 值的准束缚态。
研究结果表明 Q 值差异化的根本原因是不同结构带来的本征场的微扰。对于具有偏心圆柱形空气孔的超表面，Q 值优化表现出对空气孔半径和移动方向的双重依赖性。值得注意的是，通过精确控制空气孔半径，共振模式的层级顺序（Q 值大小的层级排列关系）可重新配置。与这种径向微扰方案不同，通过 U 形和 L 形几何修改实现的对称性破缺产生了相反的 Q 值层级：模式 B 在两种结构中始终表现出最低 Q 值，而模式 A（L 形）和模式 E（U 形）则分别出现 Q 值增强。
通过纳米加工制备的对称性破缺参数可控的器件进行的实验验证证实了理论预测，反射光谱测量结果与数值模拟高度吻合。优化后的结构实现了卓越的共振品质，Q 值持续超过 10000，实验测得的峰值 Q 值达到 30270。这项系统性探索建立了通过对称性调控设计超高 Q 值超表面谐振器的合理设计框架，为需要极端光 - 物质相互作用增强的光子学应用提供了关键视角。
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