研究背景指出，光学微腔的品质因数（Q值）和模式体积是影响其性能的关键参数，而连续域束缚态（BICs）因其理论上无限的Q值成为理想选择，但传统BICs的Q值在动量空间中随偏离奇异点而快速衰减，限制了实际应用。研究内容是为解决这一问题，研究团队提出了一种新型平带BICs设计，通过调控介电超表面的各向异性，实现了高Q值在动量空间中的缓慢衰减，并显著提升了光学态密度（DOS），为低阈值激光器、强光-物质相互作用等应用提供了新平台。研究内容方面，团队设计了一种由二氧化钛（TiO?）纳米柱组成的矩形超表面结构，通过调节晶格各向异性因子（α = py/px），实现了平带BICs的形成。当α = 0.923时，平带BICs在Γ点附近表现出零曲率（C = 0）和无限大的光子有效质量（|m_y^*| → ∞），同时Q值在实验中被提升至约9100，比传统对称保护BICs（SP-BICs）提高了2个数量级，光学态密度（DOS）增加了7倍。通过将CdSe/Cd_xZn_{1-x}S核壳纳米片（NPLs）作为增益介质，团队在室温下实现了平带BIC激光，其阈值功率（295 kW/cm?）比传统SP-BIC激光降低了4倍，且激光线宽窄至0.21 meV，展现了极高的Q值（~9192）。创新点一体现在首次通过单一参数（晶格各向异性）调控实现了平带BICs，无需复杂的BICs合并或垂直对称性破缺设计。二是团队通过耦合模式理论（CMT）和数值模拟揭示了平带BICs的形成机制，即通过调控四个反向传播导模的相互作用，实现了平带特性与高Q值的协同优化。三是实验还验证了平带BICs的拓扑性质，其偏振涡旋在动量空间中表现出+1的拓扑电荷，进一步丰富了BICs的物理内涵。结论通过设计和实验验证了平带的概念，这种结构在动量空间中具有高Q值和慢衰减特性，并且可以通过简单地调节超表面晶格的各向异性来实现。与对称保护BIC相比，FB-BIC在Γ点附近的较大波矢状态的Q值提高了两个数量级，DOS增加了7倍，从而使得激光阈值降低了4倍。这些结果表明，FB-BIC在实现小型化光学放大器和激光器方面具有巨大潜力，这对于集成光子芯片中的关键组件来说至关重要。平带BICs不仅克服了传统BICs在动量空间中Q值快速衰减的局限性，还通过高DOS和低群速度特性显著提升了激光性能。这一设计为高效微腔激光器、宽角度单频应用以及强光-物质相互作用研究提供了新思路。启发方面，研究展示了平带BICs在集成光子芯片和多波长应用中的潜力，未来可通过优化增益介质与模式重叠或结合激子材料进一步降低激光阈值，推动其在传感、非线性光学等领域的应用
文献来源: ACS NANO
https://doi.org/10.1021/acsnano.5c01972
作者：ThiThuHaDo,?ZhiyiYuan,?EmekG.Durmusoglu,HadiK. Shamkhi,VytautasValuckas, ChunyuZhao,ArseniyI.Kuznetsov,HilmiVolkanDemir,CuongDang,HaiSonNguyen,* andSonTungHa*
发表日期: April 30,2025
报告人：俞志翔
