Laser Photonics Rev.: 基于连续域束缚态与奇异点的超构光栅衍射调控

撰稿|由课题组供稿

近日，暨南大学邓子岚教授、李向平教授与纽约市立大学Andrea Alù教授、南开大学李华楠教授等合作，提出了在少衍射级超构光栅中，利用连续域束缚态(Bound state in the continuum, BIC)与奇异点（Exceptional Point, EP）调控衍射光场的新方案。通过精心设计超构光栅中局域模与导波模之间的耦合关系，在衍射区构造了BIC与奇异点EP点，将光学奇点对简单波前透反射谱的调控拓展到其对任意衍射光波前的调控。

超构表面是在微纳尺度下调控远场光波前的优良平台，作为一个与自由空间传播模相互耦合的开放系统，超构表面的色散特性可用于构造光学奇点（optical singularity），如BIC及EP点，在开发高Q值、高灵敏度微纳光子器件方面发挥着重要作用。然而，目前超构表面BIC、EP点往往仅限于对简单光波前透反射谱等频谱特性的调控，而其与任意衍射光波前的调制关系尚不清晰。

本研究工作利用超构原子的共振散射特性，直接对超构光栅衍射级光波前进行高效调控，其调控示意图如图1所示。超构原子的周期性阵列结构支持局域共振模式（LM）与非局域导波模式（GM）（图1a,b），这些模式与外界入射光的耦合，将表现在超构原子对透射谱、反射谱或吸收谱的调制。如果将超构表面工作区域，从以往的仅零衍射级区拓展到少衍射级区（图c，d绿色高亮区域），可将局域模式与导波模式用于衍射级光场的有效调制。

图1. 局域模(a, c)与非局域模(b, d)对超构光栅的衍射级管理。（a,b）为实空间示意图，（c，d）为倒空间示意图。

局域模式对超构光栅衍射级的调制效果如图2（a）所示，金属狭缝的间隙模式共振诱导了0级衍射谷与-1级完美衍射峰（异常反射），由于间隙模式的局域性，其共振波长不随入射角度（或平行波矢k_x）变化，表现为无角度色散的平带；非局域模式对超构光栅衍射级的调制效果如图2（b）所示，前向与后向的Bloch模式耦合，在布里渊边界处出现反交叉的形态，导波模式的色散曲线映射到0及衍射谷、与-1级完美衍射峰（异常反射）轨迹上。

图 2. （a）金属狭缝光栅间隙局域模式诱导的0级衍射谷与-1级衍射峰。色散轨迹表现为平带。(b) 金属-介质-金属光栅的非局域导模模式诱导的0级衍射谷与-1级衍射峰。色散轨迹为反交叉曲线。

当超构光栅同时支持局域模式与非局域模式时，如图3所示，模式之间的相互耦合将带来丰富的调控自由度。当局域模被调控到与非局域前向、后向Bloch模式交叉位置处时（图3b），三个模式之间强耦合产生反交叉现象，呈较大的Rabi分裂，中间平带模式的线宽在布里渊边界处消失，为BIC态。当局域模被调控到远离非局域模交叉位置时（图3c），模式之间耦合变弱，不再发生劈裂现象，其模式线宽变小。

图3. （a）间隙局域模式与非局域导波模式同时存在的超构光栅示意图。（b, c）局域模式（平带）与非局域模式（反交叉曲线）相互耦合诱导的0衍射级与-1衍射级效率谱：在强耦合条件下，前向、后向Bloch模式与局域模式耦合后的三个模式呈较大的Rabi分裂，中间模式的线宽在布里渊边界处消失，为BIC态（b）；在弱耦合条件下，前向、后向Bloch模式交叉（c）。

进一步对弱耦合情况下模式交叉区域的能带进行分析发现（图4），本征频率实部在布里渊边界附近简并，但虚部劈裂，其中一个模式（1）Q值有限，另一个模式（3）Q值发散，为BIC态。偏离布里渊区边界处，本征频率实部与虚部均简并，为EP点。

图4. 模式交叉区域(a)的频率实部(b)、虚部(c)能带图及(d-f)场分布图。

本研究工作提出了在超构光栅少衍射级区间构建BIC与EP点的新方案。通过超构原子精心设计，超构光栅中的局域模式与非局域导波模式均能诱导完美衍射现象的发散，完美衍射峰的轨迹与局域/非局域模式的色散曲线决定。通过调节局域与非局域模式之间的耦合，在布里渊区边界附件构建了衍射型的BIC与EP点，有望开发波长敏感性、拓扑特性的光波前调控、波前传感等应用。 

相关研究成果以“Extreme Diffraction Control in Metagratings Leveraging Bound States in the Continuum and Exceptional Points”为题发表于国际知名光学期刊《Laser & Photonics Reviews》（DOI: 10.1002/lpor.202100617）上。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202100617  

Deng, Z.-L., Li, F.-J., Li, H., Li, X., Alù, A., Extreme Diffraction Control in Metagratings Leveraging Bound States in the Continuum and Exceptional Points. Laser & Photonics Reviews 2022, 2100617. https://doi.org/10.1002/lpor.202100617