近日，中山大学徐政基团队以「Angle-insensitive dual bound states in the continuum on germanium metasurface」为题在Chip期刊上发表研究论文。第一作者为刘以晴，通讯作者为徐政基。Chip是全球唯一聚焦芯片类研究的综合性国际期刊，已入选「中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目」、「中国科技期刊卓越行动计划二期项目-英文梯队期刊」，为科技部鼓励发表「三类高质量论文」期刊之一。
超构表面支持的连续域束缚态（Bound States in the Continuum，BIC）为实现极高的品质因子（Q因子）提供了新颖的解决方案，能够克服传统中红外滤波器、传感器、激光器和非线性光源的局限性。然而，大多数BIC超构表面对特定入射角度的敏感性限制了其实际应用。徐政基团队提出了一种基于锗的超构表面，支持两种不同偏振的BIC模式，表现出强大的角度不敏感性。通过利用几何不对称性，团队有效控制了BIC的泄漏和耦合。该器件在斜入射下保持了无限的Q因子，并且在对称性破坏的情况下，无论是TE还是TM偏振，都能保持稳定的准BIC共振波长和线宽。这一角度不敏感性在理论和实验上均得到了验证，展示了其在高性能中红外光学器件中的广泛应用潜力。
图1 锗超构表面的结构设计及其支持的模式
如图1所示，研究人员设计了一种周期性双孔锗超构表面，该结构由锗薄膜层和玻璃基底组成。通过有限元方法（Finite Element Method，FEM）进行本征频率分析，研究人员发现该结构支持两种BIC模式，分别对应不同的偏振方向。通过控制其中一个孔洞的几何形状改变可以操控结构的几何不对称程度，从而对器件支持的BIC模式进行调控。
图2 两个BIC模式的场分布分析及其角度不敏感性仿真验证
如图2所示，研究人员对两个模式分别进行了场分布分析，通过奇偶模式耦合原理解析了这两个模式对特定入射场不响应的特点，推断并仿真验证了其对入射角变化不敏感的的性质。FDTD仿真下的透射光谱显示在各入射角度下，模式均保持局域，即显示出0线宽，不出现共振峰。
图3 能带分析与不对称性对模式影响分析
如图3所示，研究人员进一步通过能带结构分析了该结构对角度不敏感的物理机制。进一步的，通过引入几何不对称性α调控BIC模式的Q值。通过逐步改变双孔结构中第二个孔的短轴长度，研究人员发现，随着不对称参数α的增加，BIC模式的Q值逐渐降低。具体而言，当α从0增加到0.6时，Mode 1和Mode 2的Q值分别从可视为无穷大的7.45×10⁹和1.28×10¹⁰下降到较低的水平，呈现典型的
规律，符合对称性保护BIC特征。这一结果表明，通过调整几何不对称性，可以精确控制BIC模式的Q值，控制偏振又可以调节所需的模式产生，从而实现对共振特性的灵活调控。
图4 准BIC模式的角度不敏感性仿真验证
如图4所示，研究者通过时域有限差分法（FDTD）进行光谱分析，仿真验证了这两种模式在对称性破坏情况下在TE和TM偏振下的角度不敏感性，仿真证实其准BIC共振的波长和线宽都在不同入射角下保持一致性。
图5 结构的制备与实验验证
如图5所示，研究者实验制备了所设计的光子晶体并对其进行FTIR光谱测量，实验结果与仿真结果相比波长基本一致，线宽由于制造误差原因扩宽。研究人员通过实验验证了该超构表面的角度不敏感性。实验结果表明，该器件在不同入射角度下均能保持稳定的共振波长和线宽，进一步证明了其在实际应用中的潜力。
