导 读
近日，复旦大学材料系胡新华教授和物理系资剑教授研究团队在一类新型光学结构的切伦科夫辐射研究中取得了重要进展。基于解析理论和数值模拟，研究人员发现，利用一类特殊的平板光子结构，可以在较低的电子速度下，实现具有高效率、高定向性、极窄带宽的切伦科夫辐射。这种新的光学现象和原理，将有助于实现小型化的自由电子激光器。相关研究成果以《Cherenkov Radiation from Photonic Bound States in the Continuum:Towards Compact Free-Electron Lasers》为题，发表在近期的《Physical Review Applied》上（DOI: 10.1103/PhysRevApplied.10.064026）。论文第一作者为博士生宋亚男，胡新华教授、资剑教授为论文共同通讯作者。
当一个带电粒子在介质中运动时，它能产生相干的电磁波。这种现象，最早在1934年被切伦科夫（Cherenkov）实验发现，因此被称为切伦科夫辐射（CR）。基于这种现象，人们发明了粒子探测器和计数器，以及各种自由电子光源。
在普通的均匀介质中，CR发生的条件是：粒子速度必须大于介质中光的相速度。如果粒子速度低于这个阈值，在粒子的周围，将只出现衰逝波。1953年，Smith和Purcell实验展示：利用一个衍射光栅，这种衰逝波可以被转换成传播波。由于这种新型的CR（也被称为SPR）可以在低的电子速度下出现，它为制造小型自由电子光源提供了一个方向。但是，这种新型CR，仍然存在两个应用上的瓶颈。一方面，普通光栅的（从衰逝波到传播波的）波转换效率较小；另一方面，与普通CR类似，SPR的频率范围较宽。因此，小型的自由电子激光器，仍然很难实现。近年来，科研人员又研究了许多人工电磁结构（比如光子晶体和超构材料）中的CR。但是，上述问题依然未被解决。
研究人员提出了一类新型的光子结构中的CR。这种光子结构，具有一种反常的光子束缚态，即存在于连续态中的束缚态（boundary states in the continuum, 也称BIC）。
BIC最早是量子力学中的一个概念，它是指一种反常的束缚态，其能量大于连续态的阈值。最近，人们发现BIC本质上是一种波动现象，并且在某些周期光子结构中，找到了BIC的光学版本，即光学BIC。这种反常的光子束缚态，具有两个特征：具有无穷大的Q因子且存在光子能带图的光线之上。当这种光学BIC或者准BIC被激发时，在一个很大面积的结构中都将出现强场。由此，人们发现了许多奇特的现象和应用。但是，光子BIC结构的波转换能力和CR，却未被研究。
研究人员将目光聚焦于一种介质双光栅结构，它支持Fabry-Perot型的共振。通过调节两层光栅的间距，研究人员可以将共振模式的Q因子大幅提高，从而获得导致光学BIC以及准BIC。研究人员发现共振频率处结构的波转换效率随着Q因子的增长而（线性）增长。因此，高强度的CR可以出现在一个极窄的波段内，从而带来低电子速度下的切伦科夫激光。这种新型的激光，起源于结构中一个有趣的光放大过程。这个过程，可以被一个简单的1D传输矩阵模型所描述。由此推导的解析公式，能很好地解释数值模拟的结果。基于这个原理，研究人员还在补充材料中，给出了多种实现切伦科夫激光的方案。
(a) 利用单层介质光栅，将入射的衰逝波（红色虚箭头）转换为传播波（红色实箭头）。上图为示意图，下图为波转换效率；
(b) 双层介质光栅的结果。在共振频率fR处的波转换效率（405），远大于单层光栅的结果（0.55）。这个现象，起源于BIC结构对内部传播波（即橙色小箭头）的放大效应。
(a) 当一束电子在一个单层介质光栅表面飞行时，电子的下方将出现衰逝波。这种衰逝波，将被光栅转换为传播波（用红色箭头3和4表示），即上行的和下行的切伦科夫辐射（CR）；
(b) 单层介质光栅中CR的电场幅度与出射角的关系；
(c) 单层光栅中CR的频率与出射角的关系；
(d)-(f) 双层介质光栅的结果——其中的CR具有高强度、单向性、和单色性。
当一束电子在一个双层介质光栅表面飞行时产生的切伦科夫辐射：（a）辐射角、（b）频率、（c）电场强度和（d）品质因子与电子速度的关系。
参考文献
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文章链接
https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.10.064026
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