基于连续域准束缚态的中红外完美超材料吸收器：角度色散调控与窄带吸收特性研究

研究人员针对中红外波段高Q值光学谐振的工程难题，通过构建硅椭圆二聚体-SiO2-金反射镜（SSAA）超材料结构，实现了连续域准束缚态（quasi-BIC）诱导的窄带完美吸收。该设计通过几何参数优化同时激发偶然性与对称性保护quasi-BIC模式，获得1492超高品质因子、200倍电场增强（|E|/|E0|）及1338.2 nm/RIU折射率灵敏度，其39 nm/°的入射角线性灵敏度为热辐射器、生化传感等应用提供了新方案。

　　

在光学传感和红外探测领域，如何实现高精度、强局域的光学谐振一直是研究者面临的重大挑战。传统光学结构受限于辐射损耗，难以同时满足高品质因子（Q-factor）与强光场约束的需求。而连续域束缚态（Bound states in the continuum, BIC）理论为解决这一难题提供了新思路——这种理论上具有无限Q值的完美非辐射态，通过微扰调控可转化为具有窄带响应的准束缚态（quasi-BIC），但其在中红外波段的材料实现与性能优化仍存在瓶颈。

针对这一科学问题，四川大学匹兹堡学院的研究团队在《Surfaces and Interfaces》发表了一项创新研究。他们设计了一种基于硅椭圆二聚体阵列的超材料吸收器（SSAA），通过在SiO₂介质层上排列非对称硅椭圆对并底部设置金反射镜，成功实现了中红外波段的窄带完美吸收。该结构通过精确调控几何参数，同时激发了偶然性和对称性保护的quasi-BIC模式，不仅获得了接近理论极限的吸收性能，更展现出显著的入射角度色散特性，为多功能光学器件的开发提供了新范式。

研究采用有限元电磁仿真优化结构参数，通过破坏单元对称性（ΔL = L₂ - L₁）实现quasi-BIC模式耦合；利用时域有限差分法分析电场增强效应；结合折射率传感实验验证性能指标。关键创新在于通过单结构集成双模式调控：当ΔL从0 nm增至200 nm时，对称保护BIC转化为Q值达1492的quasi-BIC模式，伴随200倍的局域电场增强（λ₁=3.76 μm）；而厚度参数h的优化则使偶然性BIC在λ₂=4.89 μm处产生98.7%的吸收峰。

DESIGN AND METHOD
研究团队设计的SSAA单元包含两个不同长轴的硅椭圆（L₁/L₂=2200 nm），以t=340 nm厚度置于h=1200 nm的SiO₂层上，底部为200 nm金反射镜。通过系统扫描ΔL和h参数，发现当ΔL=200 nm时，原本对称保护的BIC转变为可观测的quasi-BIC共振，其电磁场分布显示能量高度局域于椭圆间隙（图2d-f）。

RESULTS AND DISCUSSION
角度色散特性是另一重要发现：入射角0°-30°变化时，λ₂模式产生1177 nm红移，线性灵敏度达39 nm/°（图3）。传感性能方面，背景折射率每增加0.01 RIU（Refractive Index Unit），共振波长偏移13.38 nm，品质因数（FOM）达475 RIU^-1，优于同类报道。

CONCLUSION
该研究通过quasi-BIC机制实现了中红外超材料吸收器的多参数调控，其突出的角度敏感性和传感指标为动态光谱调控、多参数生化检测开辟了新途径。四川大学匹兹堡学院Lin Yu-Sheng团队指出，这种硅基兼容设计特别适合与CMOS工艺集成，在便携式红外光谱仪、环境监测等领域具有明确的应用前景。研究获得广东省科技计划（2024A0505050007）和广东省基础与应用基础研究基金（2024A1515013019）支持。