近期，Photonics Research 2022年度主编推荐奖重磅发布，由Photonics Research主编美国圣路易斯华盛顿大学杨兰教授、副主编澳大利亚国立大学Yuri Kivshar教授和中国科学技术大学陈宇翱教授联合推荐。三篇原创论文获此殊荣！本次为大家介绍第一篇，来自天津大学谷建强教授团队的“Terahertz bound states in the continuum with incident angle robustness induced by a dual period metagrating”。

天津大学谷建强教授上台领奖并与Photonics Research副主编Yuri Kivshar合影

主编点评：

       光学连续介质中的束缚态（BIC）问题近年来受到了广泛关注，各种理论探索和设计方案层出不穷。尽管如此，有关BIC的明确实验证明依然很少。在本研究中，作者提供了令人信服的实验结果，成功观察到了光栅中的准束缚态（quasi-BIC）共振现象。更进一步地，通过不同的对称破缺实现了两种共振态之间的耦合，从而形成了可通过调整相邻光栅脊位置来控制的电磁诱导透明 。这一成果是该领域非常出色的一项工作。

——副主编，Yuri Kivshar

       太赫兹波段的高Q值器件，如传感器、滤波器和慢光器件等，因其极窄的谐振线宽和强烈的太赫兹波——物质相互作用，推动了很多重要的太赫兹应用研究，例如指纹谱鉴别、安检成像和无线通信等。超表面得益于其优越的紧凑性和灵活设计，为实现高Q值的太赫兹器件提供了前所未有的可能性。特别是基于连续域束缚态（BIC）的高Q值超表面引起了研究人员的广泛兴趣。BIC最早由Neumann和Wigner在研究量子系统时提出。

       2008年，宏观尺度下的光学BIC态率先在光子晶体中被提出，其能量完全限制在晶体板附近，且理论上具有无限高的Q值。近年来，利用超表面实现BIC的研究开展得如火如荼，一系列由对称超构原子（Meta-atom）中反对称模式支撑的BIC模式提出和验证。这些超表面中的BIC及其对称破缺后形成的准BIC态、具有极窄的频谱线宽和极强的能量束缚能力，推动了二次谐波产生、定向光发射、室温激光和手性光学等方向的研究。

       BIC超表面的研究方兴未艾，还有许多问题尚待深入发掘，比如除Meta-atom结构对称外，通过布里渊区折叠也可以实现BIC，但相关方面研究还较少。而大多已报道的BIC模式只能出现在动量空间中的某些特定点，这限制了其在宽角度范围内的应用。最后，BIC和准BIC模式的大色散和慢光特性仍待深入开发。

        为了深入挖掘BIC超表面的内在机理和应用前景，天津大学谷建强教授团队联合澳洲国立大学阳权龙博士、南方科技大学丛龙庆教授和美国俄克拉荷马州立大学张伟力教授等团队，提出了一种基于双周期全介质光栅中导模谐振的BIC。相关研究成果发表于Photonics Research 2022年第3期（Wenqiao Shi, Jianqiang Gu, Xingyuan Zhang, Quan Xu, Jiaguang Han, Quanlong Yang, Longqing Cong, Weili Zhang. Terahertz bound states in the continuum with incident angle robustness induced by a dual period metagrating[J]. Photonics Research, 2022, 10(3): 810）。

       在该方案中，光栅的每个超晶胞都由两个相似的晶胞组成，如图1（a）所示。当结构具有双周期对称性时，由于布里渊区折叠，原本位于动量空间离散域的束缚模折叠到了光锥之内，即连续域，形成BIC，如图1（c）所示。这些BIC模式实际上是电场呈现出反对称特征的导模谐振，根据其电场分布与光栅中不同结构对称轴之间的关系可以分为两类，如图1（b）所示。

图1 （a）双周期介质光栅示意图；（b）本征模的电场分布；（c）导模谐振通过布里渊区折叠形成BIC；（d）和（e）分别是两种准BIC谐振的仿真和测量；（f）光栅脊位置滑移和宽度改变时，两种谐振电场束缚特性的对比

       为验证两类BIC模式的存在，该工作中通过两种不同的方式——改变相邻光栅脊宽度和改变相邻光栅脊相对位置，来打破双周期光栅所包含的两种不同的对称性，分别使这两类BIC向其各自的Fano型准BIC谐振发生了演化，如图1（d）和（e）所示，从而证明了光栅中两类BIC模式的存在。研究同时发现，相比于通过光栅脊宽度变化形成的谐振，通过光栅脊滑动形成的谐振具有更强的能量束缚能力，如图1（f）所示。该工作所展示的基于布里渊区折叠和导模谐振的BIC模式不仅局限于文中所涉及的太赫兹波段，其思路或有助于各波段高Q器件的设计。

       此外，对光栅中BIC模式Q值在不同倾斜入射角下进行分析，光栅中这些BIC模式对入射角具有很高的鲁棒性。具体来说，当保持双周期特性时，倾斜入射不会让BIC产生任何能量泄漏，Q值也不会衰减，如图2（b）中黑色圆圈所示。如果双周期特性受到扰动，那么Q值就会变得对入射角十分敏感，并且在整条能带上Q值都与非对称参数的平方成反比，如图2（b）中彩色圆圈所示。图2（c）中的测量结果也证明了该特性。

图2 光栅脊位置滑移时，倾斜角度下w型BIC和准BIC的研究；（a）当αdx = 0时，w型BIC的能带；（b）αdx = 0时w型BIC的Q值（黑圈）和变化αdx时w型准BIC的Q值（彩圈）；（c）改变αdx时，在正入射和倾斜入射下的实测频

       高Q值的准BIC模式意味着极大的色散和慢光，该工作改变光栅脊的宽度和相对位置，通过不同对称度破缺，实现了两类准BIC谐振之间的耦合，形成了基于准BIC的电磁诱导透明（EIT），透明窗口的宽度可由改变相邻光栅脊的相对位置控制，如图3所示。

图3 准BIC诱导EIT的研究；(a) 固定αdx = 0.37，改变αw时透射谱的演化；深蓝色圆圈标出了EIT线型的透射谱；(b) 改变αdx时的实测谱线；（c）仿真得到的（深蓝色）和测得（红色）的群延迟

       重要的是，实验测得的慢光群延迟达到了117 ps，考虑到全硅样品的厚度仅为500 μm，因此群延迟被EIT效应拉长了20.5倍，如此显著的慢光效应，展示了BIC超表面在色散控制和光-物质互作用等领域的应用潜力。

       Photonics Research 创刊于2013年，其专注于报道光学和光子学的基础和应用研究进展，自创刊以来影响因子逐年增长，发文体量持续上升，影响力不断扩大，最新影响因子为7.6，在SCIE收录的1000种光学期刊中排名第11，继续稳居Q1区期刊前列，已经成为光学期刊领域的实力派。截至2023年7月，PR 已经连续出版了95期共1884篇高水平论文，被SCIE期刊引用超过3.5万次。 

撰稿 | 天津大学 谷建强

编辑 | 木拉提·满苏尔

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/65OFqMp5QL3_72uzVHkWtw