1. 导读
在基于超构表面的荧光增强、纳米激光、光传感、以及非线性光学等应用中，获得高品质因子（Q值）是改善器件性能的关键。表面晶格共振（SLR）和连续域束缚态（BIC）是两种获得高Q值的常用方法。近日，中国科学院深圳先进技术研究院李光元副研究员和安徽师范大学石建平教授的联合研究团队，基于中心颗粒位移的复合晶格结构，利用米氏SLR的杂化，提出并实验验证了一种实现双频BICs的新策略，在实验上获得了1240的超高Q值，而且双频准BIC的共振波长和Q值可以通过改变颗粒尺寸和晶格周期灵活调节。该工作不仅为实现BIC提供了全新的思路，也推进了超表面器件走向大面阵和高性能化。
2. 研究背景
光学BIC由于提供了一种实现高Q值的简单方法，在包括定向出射和超低阈值激光、非线性光学效应增强、超高灵敏传感等方面，显示出巨大的应用潜力。其中，由于对称性限制了对外辐射而形成的对称保护型BIC是最直接的BIC类型。现有的打破面内对称性的方法主要通过改变结构单元的对称性。
最近，将两个晶格复合，利用二者颗粒的大小不同来打破结构单元的对称性，通过SLR的杂化也可以实现对称保护型BIC。然而，该方法为了获得高Q值，颗粒的尺寸差异要求小于10%，这给纳米加工带来了极大的挑战。此外，该方法只获得了单频BIC。
3. 创新研究
(1) 复合晶格的中心颗粒位移可以诱发SLR杂化形成的双频BIC。将颗粒尺寸完全相同的两个晶格错位复合，使得等效单元的中心颗粒发生相对位移（见图1），由此打破结构单元的面内对称性，可以分别实现两个晶格中面内电四偶极SLR和面外磁偶极SLR各自的杂化，从而获得双频BIC。通过微纳加工，进行了实验验证，并且测得了高达1240的Q值（见图2）。
图1 基于中心颗粒位移的晶格杂化结构，分别利用面内电四偶极SLR和面外磁偶极SLR各自的杂化，实现了双频BIC。
图2 双频BIC的实验验证。
(2)利用SLR的可调性，实现了双频准BIC共振波长和Q值的灵活调节。由于SLR的工作波长和Q值可以通过改变颗粒大小和阵列周期进行调节，因此，基于SLR杂化而得的双频准BIC的这些性能指标也可以由此调节（见图3，图4）。
图3 改变颗粒尺寸，可以调节双频准BIC的共振波长和Q值
图4 改变阵列周期，可以调节双频准BIC的共振波长和Q值
4. 应用与展望
该论文报道的双频对称保护型BIC，通过改变中心颗粒的相对位移而非相对尺寸来打破对称性，极大地降低了微纳加工的难度。这种基于SLR杂化的方法，为实现超高Q值的准BIC提供了一种新的策略。利用SLR的灵活可调性和大面阵特性，该工作将准BIC超构表面器件走向实际应用推进了一步。
相关研究成果以“Dual-band bound states in the continuum based on hybridization of surface lattice resonances”为题在线发表在Nanophotonics期刊。
本文作者分别是Xiang Du, Lei Xiong, Xueqian Zhao, Shuai Chen, Jianping Shi and Guangyuan Li，其中硕士生杜响和博士生熊磊为共同第一作者，李光元副研究员和石建平教授为共同通讯作者。
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