日前，北京理工大学物理学院张向东教授团队与复旦大学物理系资剑、石磊教授团队合作，在“光学连续谱束缚态”研究方面取得重要进展。该研究首次通过在超原胞中引入镜像无序的方式，理论提出光学连续谱准束缚平带（quasi bound flat-bands in the continuum, quasi-BFICs）的概念，即全能带模式均具有高品质因子且无色散的新奇光学模式。随后，利用数值与理论分析，解释了quasi-BFICs的产生机理，并通过测量角分辨等频率谱、动量空间的等频率散射图样，对其平带色散与广角度的高品质因子进行了实验验证。该研究为构建鲁棒性强且广角度范围的高品质因子模式提供了全新思路。相关成果发表于Nature Communications [Nat. Commun. 16, 10835 (2025)]上。
研究工作得到国家自然科学基金和国家重点研发计划的资助。北京理工大学物理学院博士生秦皓宇、张蔚暄教授以及复旦大学物理系博士生陈劭虎为论文共同第一作者。张向东教授、石磊教授和张蔚暄教授为通讯作者。另外，北京理工大学张慧珍副研究员，复旦大学资剑教授、中科院物理所潘如豪工程师和李俊杰研究员也对此工作做出了重要贡献。
研究亮点之一：提出“光学连续谱准束缚平带”新概念，突破传统准BIC激发角度制约
研究团队首次提出了“连续谱准束缚平带” 的概念，即在光子晶体平带中，每一个布洛赫模式均具备准BIC特性，从而在整个动量空间中实现高Q值共振。对于传统模式，仅当激发角度与BIC附近的动量基本匹配时，结构才可以展示高Q值共振，而当激发角度与BIC模式产生偏移，结构的共振响应会急剧减小，同时响应频率产生偏移（图1b），这严重限制了BIC的实际应用价值。而quasi-BFICs则实现了全动量空间的高Q响应，同时平带色散结构确保了全角度的同频响应，极大增强了对激发角度的鲁棒性（图1a）。
图1：准BFIC模式与传统BIC模式的激发对比
研究亮点之二：揭示了无序随机产生quasi-BFICs的物理机制
为构造quasi-BFICs，研究团队在一维硅光子晶体平板中，选定特定大小的超原胞，并在超原胞内部随机调制每个超胞中硅柱的宽度，该无序满足镜面对称性并以超原胞为周期在空间上重复（图2a和2c）。随着无序强度增加，有概率产生平带色散，表现为局域化的本征模式。值得注意的是，其中的部分平带进一步表现出了全动量空间的高Q值模式，即能带上的模式均为准BIC。通过大量统计模拟发现，存在最佳的无序强度，使得系统产生高Q平带的概率最高（图2d-2e）。进一步分析表明，此时平带本征场在实空间中呈指数局域分布，其傅里叶分量在动量空间中主要集中在非辐射区域，这极大地抑制了模式的辐射。而在可辐射动量空间内存在多个拓扑荷，进一步有效抑制了能带模式的辐射损耗（图2h-2j）。
图2：准BFIC的设计与理论结果
图3：准BFIC模式的解析分析
研究亮点之三：实验观测到宽角度高Q准BFIC共振
为验证理论结果，研究团队首先制备了具有镜面对称无序(基于上述理论方法随机产生)的一维光子晶体样品（图4a-4b），并分别通过角分辨透射谱（图4c）与等频率面成像（图5a）两种方法对样品进行观测。在观测角分辨透射谱时（图4d-4e），可以看到角分辨透射谱与仿真计算的能带结构基本相符，但平带结果并未观测到，这是由于该谱线仪的可分辨波长大于高Q值模式的谱线线宽，只能观测到Q值较低的模式，侧面证实了quasi-BFICs的存在。
图4：角分边透射谱的测量结果
图5：等频率图像的测量结果与模式Q值的测量
本研究首次提出并论证了“光学连续谱准束缚平带”，即全带表现为准BIC的奇异光学模式。通过理论与数值方法，研究者确定了产生连续谱准束缚平带的最佳无序强度，并对其产生原因与设计思路进行了详尽的研究。最终在实验上对该光学模式的存在进行了验证，在广角范围测量得到了8000左右的品质因子。该工作不仅挑战了无序必然降低BIC品质因子的传统认知，更提出了一种利用无序增强光学功能的反直觉策略，为光子技术的未来发展铺平了道路，并有可能彻底改变基于BIC的高效、广角响应和容错光学系统的设计和应用。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-65860-3
撰稿|课题组
