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人工局域表面等離激元（LSSPs）具有亞波長(zhǎng)壓縮和近場(chǎng)增強(qiáng)的優(yōu)異特性，受到了研究人員的廣泛關(guān)注。但是它的Q值普遍不是很高，這是由于材料損耗和輻射損耗；其中，材料損耗不可避免，而輻射損耗可以通過(guò)準(zhǔn)連續(xù)域中的束縛態(tài)（準(zhǔn)BIC）得到顯著抑制。準(zhǔn)BIC是相對(duì)BIC而言的。BIC位于連續(xù)域中，但是被完美地限制，沒(méi)有任何遠(yuǎn)場(chǎng)輻射，也無(wú)法被入射波激發(fā)。它有著無(wú)限窄的諧振峰和無(wú)限大的Q值。BIC主要分為偶然BIC和對(duì)稱(chēng)保護(hù)BIC；其中，對(duì)稱(chēng)保護(hù)BIC由于系統(tǒng)的鏡像對(duì)稱(chēng)性或旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性而形成，通過(guò)打破對(duì)稱(chēng)性，它將轉(zhuǎn)化準(zhǔn)BIC，從而被入射波激發(fā)。準(zhǔn)BIC的Q值退化為有限值，但由于輻射損耗很弱，Q值依然很高。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，北京大學(xué)電子學(xué)院劉濮鯤教授、杜朝海研究員團(tuán)隊(duì)提出了LSSPs準(zhǔn)BIC，降低了LSSPs的輻射損耗，提高了LSSPs的Q值。

圖1.同心圓光柵和偏心圓光柵超表面當(dāng)線極化平面波法向入射到同心圓光柵超表面時(shí)，只有TE11被激發(fā)，TE21及以上的高階模式具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性，是對(duì)稱(chēng)保護(hù)BIC，與入射波完全解耦合，無(wú)法被激發(fā)。

圖2.同心圓光柵超表面仿真結(jié)果

因此，本文創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了偏心圓光柵超表面，打破了旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性。這樣，TE21及以上的高階模式由對(duì)稱(chēng)保護(hù)BIC轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)BIC，與入射波耦合，從而被激發(fā)。準(zhǔn)BIC的輻射損耗很弱，因此高階模式的諧振峰很尖銳、Q值很高。TE11-TE31的電磁場(chǎng)分布盡管有些扭曲，但仍然呈現(xiàn)出LSSPs的典型圖案。研究表明LSSPs準(zhǔn)BIC的Q值和圓光柵的偏心率成平方反比的關(guān)系。

圖3.偏心圓光柵仿真結(jié)果團(tuán)隊(duì)在微波頻段開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，在偏心圓光柵超表面的頻譜中成功觀察到了高階模式的尖銳的諧振峰，證實(shí)了LSSPs準(zhǔn)BIC的存在，計(jì)算得到的Q值高達(dá)214.8。本文還討論了入射波極化方向和材料損耗對(duì)LSSPs準(zhǔn)BIC的影響。

圖4.LSSPs準(zhǔn)BIC實(shí)驗(yàn)結(jié)果LSSPs準(zhǔn)BIC具有較低的輻射損耗和較高的Q值，有望應(yīng)用于傳感、隱身、通信等領(lǐng)域。研究工作以“Quasi-Bound States in the Continuum of Localized Spoof Surf ace Plasmons”（人工局域表面等離激元準(zhǔn)連續(xù)域束縛態(tài)）為題發(fā)表在美國(guó)化學(xué)會(huì)旗下期刊《ACS Photonics》（影響因子：7.1）。文章通信作者為杜朝海研究員。文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acsphotonics.2c00673

審核編輯：李倩

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