连续域束缚态支持的硅基槽型超表面：多模态共振的理论与实验研究及其非线性与激光应用

本研究针对高Q值光学共振模式调控难题，通过设计硅基方形槽超表面结构，系统研究了支持连续域束缚态(qBIC)的多种Mie模式（包括环形偶极子和四极子）。采用辅助场本征频率分析和多极展开方法，揭示了暗模式向准暗模式的转化机制，实验验证了品质因数达107的共振态。该平台为基于克尔效应的三次谐波产生(THG)和有机染料激光提供了理想载体，推动了非线性光子学和纳米激光器的发展。

　　

在光子学领域，如何实现高效的光场调控和强光-物质相互作用一直是核心挑战。传统光学器件受限于衍射极限和材料损耗，而超表面（Metasurface）的出现为突破这些限制提供了新思路。特别是支持连续域束缚态（Bound States in the Continuum, BIC）的超表面，因其理论上无限大的品质因数(Q值)和极强的场局域能力，成为非线性光学和纳米激光器的理想平台。然而，现有研究多集中于简单偶极子模式，对高阶多极子（如环形四极子）的探索不足，且缺乏系统性实验验证。

针对这些问题，来自意大利、巴西等多国合作团队在《Optics》发表了创新性研究。他们设计了一种基于硅-on-蓝宝石平台的方形槽超表面，通过电子束光刻(EBL)和感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术制备样品，结合辅助场本征频率分析和多极展开理论，首次实现了从环形四极子到磁四极子等多种qBIC模式的精准调控。关键实验技术包括：1）采用Drude-Lorentz模型描述硅的色散特性；2）通过引入60nm硅桥打破对称性将BIC转化为qBIC；3）利用傅里叶变换光谱仪测量透射谱验证共振特性；4）基于Fano线型拟合提取实验Q值。

研究结果部分：
2.1 物理结构
设计参数为槽宽40nm、周期840nm的方形槽阵列，通过硅桥宽度t调控对称性破坏程度。SEM显示制备样品与设计吻合，但存在2.5nm的工艺波动。

2.2 本征值与多极子分析
本征频率模拟发现5种BIC模式（D₁-D₅），其中D₁（1480nm）被证实为环形四极子（主导项Q_xx^(T)），D₃（1555nm）为环形偶极子（T_z）。对称性破坏后，D₄的Q值达8×10⁷，远高于D₁的3796。

2.3 平面波散射分析
透射谱显示，t=60nm时y偏振光可激发D₁-D₃，而D₄需x偏振激发，与多极子辐射特性一致。

1. 实验验证
   实测Q值（D₁:840，D₄:270）低于理论预测，主要归因于槽宽工艺波动引起的共振波长漂移。

2. 应用讨论
   非线性参数γ_SPM计算表明，D₁（9.2×10²³ W^-1s^-2）最适合THG应用；而D₄在填充染料时重叠因子ξ_g达4.51×10⁹ V C^-1m，预示其低阈值激光潜力。

该研究的重要意义在于：1）首次系统阐释了高阶多极子qBIC的转化机制；2）实验验证了工艺容差对Q值的影响规律；3）为同一平台实现非线性转换和激光发射提供了双重解决方案。特别是环形四极子模式的发现，填补了BIC研究体系的理论空白。未来通过优化工艺和引入动态调谐机制，有望推动超表面在量子光源和片上光互连中的应用。