北理工團隊在光學連續譜束縛態研究方面取得重要進展
發布日期：2025-12-04 供稿：物理學院 攝影：物理學院
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日前，北京理工大學物理學院張向東教授團隊與復旦大學物理系資劍、石磊教授團隊合作，在“光學連續譜束縛態”研究方面取得重要進展。該研究首次通過在超原胞中引入鏡像無序的方式，理論提出光學連續譜準束縛平帶（quasi bound flat-bands in the continuum, quasi-BFICs）的概念，即全能帶模式均具有高品質因子且無色散的新奇光學模式。隨后，利用數值與理論分析，解釋了quasi-BFICs的產生機理，并通過測量角分辨等頻率譜、動量空間的等頻率散射圖樣，對其平帶色散與廣角度的高品質因子進行了實驗驗證。該研究為構建魯棒性強且廣角度范圍的高品質因子模式提供了全新思路。相關成果發表于Nature Communications [Nat. Commun. 16, 10835 (2025)]上。研究工作得到國家自然科學基金和國家重點研發計劃的資助。北京理工大學物理學院博士生秦皓宇、張蔚暄教授以及復旦大學物理系博士生陳劭虎為論文共同第一作者。張向東教授、石磊教授和張蔚暄教授為通訊作者。另外，北京理工大學張慧珍副研究員，復旦大學資劍教授、中科院物理所潘如豪工程師和李俊杰研究員也對此工作做出了重要貢獻。
連續譜束縛態（Bound states in the continuum, BIC）是指能量位于擴展態的連續譜中，卻表現為完美束縛態的特殊能態。BIC的概念最早在量子體系中提出，隨后在各類波動系統中得到了廣泛研究。由于其超高的品質因子（Q值），基于光子晶體平板的BIC已成為研究光與物質強相互作用的理想平臺。然而，傳統準BIC僅存在于動量空間中極窄的區域，對激發角度極為敏感，使其有效角度非常小，且在實際制備中因結構誤差導致Q值顯著下降，嚴重制約其廣泛應用。近年來，研究者提出了多種增大BIC有效角度范圍的方法，如Merging BIC、Super BIC和Moiré BIC等，但仍未能實現在整個動量空間中均具備高Q值的光學模式。如何在保持高Q值的同時，進一步實現寬角度、抗擾動的光學共振，成為該領域亟待解決的關鍵問題。
雖然許多研究已證明在結構中引入無序會引發光的局域化現象，如隨機激光發射和安德森局域化等，甚至通過對無序的特殊設計，可以增強波在無序結構中的傳輸能力。然而，在基于光子晶體平板的連續譜束縛態研究中，所有已有理論和實驗均表明，無序會導致布洛赫波的顯著散射，從而嚴重降低BIC的品質因子，限制其實際應用。不同于前期工作，在這個工作中我們證明通過引入無序和特殊設計能增強BIC的角度范圍與魯棒性。
研究亮點之一：提出“光學連續譜準束縛平帶”新概念，突破傳統準BIC激發角度制約
研究團隊首次提出了“連續譜準束縛平帶” 的概念，即在光子晶體平帶中，每一個布洛赫模式均具備準BIC特性，從而在整個動量空間中實現高Q值共振。對于傳統模式，僅當激發角度與BIC附近的動量基本匹配時，結構才可以展示高Q值共振，而當激發角度與BIC模式產生偏移，結構的共振響應會急劇減小，同時響應頻率產生偏移（圖1b），這嚴重限制了BIC的實際應用價值。而quasi-BFICs則實現了全動量空間的高Q響應，同時平帶色散結構確保了全角度的同頻響應，極大增強了對激發角度的魯棒性（圖1a）。
圖1 準BFIC模式與傳統BIC模式的激發對比
研究亮點之二：揭示了無序隨機產生quasi-BFICs的物理機制
為構造quasi-BFICs，研究團隊在一維硅光子晶體平板中，選定特定大小的超原胞，并在超原胞內部隨機調制每個超胞中硅柱的寬度，該無序滿足鏡面對稱性并以超原胞為周期在空間上重復（圖2a和2c）。隨著無序強度增加，有概率產生平帶色散，表現為局域化的本征模式。值得注意的是，其中的部分平帶進一步表現出了全動量空間的高Q值模式，即能帶上的模式均為準BIC。通過大量統計模擬發現，存在最佳的無序強度，使得系統產生高Q平帶的概率最高（圖2d-2e）。進一步分析表明，此時平帶本征場在實空間中呈指數局域分布，其傅里葉分量在動量空間中主要集中在非輻射區域，這極大地抑制了模式的輻射。而在可輻射動量空間內存在多個拓撲荷，進一步有效抑制了能帶模式的輻射損耗（圖2h-2j）。
圖2 準BFIC的設計與理論結果
進一步通過理論分析與數值模擬（圖3），研究團隊揭示了quasi-BFICs的形成源于三個關鍵因素的協同作用：能帶折疊、模式局域化與多拓撲荷的出現。并揭示了本征模式的場分布的關鍵特征對于拓撲荷產生的影響。其中結構的對稱性是拓撲荷的產生的必要條件，這也是引入無序呈鏡面對稱的原因。值得注意的是，研究人員證實了結構無序并非總會降低共振模式的品質因子，在一定強度下反而能產生超過15% 的高Q平帶。
圖3 準BFIC模式的解析分析
研究亮點之三：實驗觀測到寬角度高Q準BFIC共振
為驗證理論結果，研究團隊首先制備了具有鏡面對稱無序(基于上述理論方法隨機產生)的一維光子晶體樣品（圖4a-4b），并分別通過角分辨透射譜（圖4c）與等頻率面成像（圖5a）兩種方法對樣品進行觀測。在觀測角分辨透射譜時（圖4d-4e），可以看到角分辨透射譜與仿真計算的能帶結構基本相符，但平帶結果并未觀測到，這是由于該譜線儀的可分辨波長大于高Q值模式的譜線線寬，只能觀測到Q值較低的模式，側面證實了quasi-BFICs的存在。
圖4 角分邊透射譜的測量結果
對于quasi-BFICs的直接實驗觀測則由等頻率面成像系統給出。該系統通過波長可調激光器作為光源，對不同波長下動量空間的等頻率譜進行激發，基于激光良好的單頻性，直接觀測到了quasi-BFICs對應的等頻率線（雙平行線線型），并與仿真結果符合良好（圖5b-5g）。進一步通過散射光譜測量，發現在入射角從18.3°至47.4°的寬范圍內，共振Q值均穩定在8000左右（圖5h-5k），遠優于傳統BIC在偏離Γ點后急劇下降的Q值。
圖5 等頻率圖像的測量結果與模式Q值的測量
本研究首次提出并論證了“光學連續譜準束縛平帶”，即全帶表現為準BIC的奇異光學模式。通過理論與數值方法，研究者確定了產生連續譜準束縛平帶的最佳無序強度，并對其產生原因與設計思路進行了詳盡的研究。最終在實驗上對該光學模式的存在進行了驗證，在廣角范圍測量得到了8000左右的品質因子。該工作不僅挑戰了無序必然降低BIC品質因子的傳統認知，更提出了一種利用無序增強光學功能的反直覺策略，為光子技術的未來發展鋪平了道路，并有可能徹底改變基于BIC的高效、廣角響應和容錯光學系統的設計和應用。
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