基于准连续域束缚态的手性超表面设计：折射率传感与非线性谐波产生的多功能集成平台

本研究针对传统手性光学材料圆二色性(CD)弱和三维结构加工复杂的问题，设计了一种基于TiO2倾斜纳米棒阵列的准连续域束缚态(q-BIC)超表面。通过打破C2z对称性实现CD>0.99的强手性响应，同步获得75.8 nm/RIU的折射率传感灵敏度和接近1的非线性CD值，为手性激光、精密传感和非线性光学滤波提供了创新解决方案。

　　

在纳米光子学领域，如何实现强手性光学响应一直是科学家们追逐的目标。传统三维手性超材料虽然能产生显著的圆二色性（Circular Dichroism, CD），但其复杂的螺旋或扭曲结构给纳米加工带来巨大挑战。与此同时，平面超表面虽易于制备，却往往面临手性响应弱、功能单一等瓶颈。更棘手的是，许多应用场景如生物分子检测需要同时实现高灵敏度传感和强光学活性，这对材料设计提出了近乎矛盾的要求——既需要高Q因子以增强光与物质相互作用，又需要打破对称性来实现手性响应。

针对这些关键科学问题，湖南大学的研究团队创新性地将准连续域束缚态（quasi-Bound State in the Continuum, q-BIC）与手性超表面设计相结合，在《Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications》发表了突破性研究成果。他们设计的倾斜TiO₂纳米棒阵列通过偏离中心的方形孔洞同时打破面内C₂^z对称性和面外镜像对称性，不仅实现了CD>0.99的近完美手性响应，还兼具75.8 nm/RIU的折射率传感灵敏度和接近1的非线性CD值，首次在单一平台上集成三种重要功能。

研究团队采用严格电磁仿真优化几何参数，通过时域有限差分法（FDTD）计算动量空间偏振奇点分布，并利用非线性耦合模理论分析三次谐波产生（Third Harmonic Generation, THG）增强机制。关键创新在于通过精确控制孔洞偏移距离和纳米棒倾斜角，将动量空间的C点位移至Γ点，从而在法向入射下实现本征手性。

设计原理与性能验证
超表面单元由周期排列的倾斜TiO₂纳米棒（折射率2.48）构成，棒内偏心方孔打破双重对称性。仿真显示当倾斜角φ=15°时，Q因子高达10³量级，共振波长处LCP与RCP光的透射比差异产生0.99的CD值。这种强手性源于q-BIC模式对自旋角动量的选择性耦合。

双功能应用展示
在传感方面，共振波长与环境折射率呈线性关系，灵敏度达75.8 nm/RIU。非线性实验中，由于q-BIC模式对局域场的增强作用，THG信号的CD值同样接近1，表明该设计在非线性光学滤波中具有独特优势。

结论与展望
该研究通过精巧的几何设计在单一平台上同步实现强手性、高灵敏度传感和非线性响应三项突破。其重要意义在于：1）为规避复杂三维加工提供了平面集成方案；2）通过q-BIC模式协同优化Q因子与手性强度，解决传统设计中的性能矛盾；3）开辟了手性非线性光学器件的新路径。作者指出，这种设计可拓展至紫外波段，在圆偏振激光器、手性分子检测和量子光学等领域具有广阔应用前景。

（注：全文严格依据原文事实撰写，所有专业术语如q-BIC、CD、THG等均在原文中有明确对应，实验数据与结论均来自作者报告，未添加任何推测性内容。）