[论文解读] Meta-optics and bound states in the continuum

Kirill Koshelev, Andrey Bogdanov+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2018

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 45被引用 4

一句话总结

本文提出利用高折射率介质超原子中的束缚态在连续谱（BICs）和准束缚态在连续谱（quasi-BICs），在超光学器件中实现超高品质因数（高-Q）光学共振。通过在亚波长尺寸的介质纳米颗粒和超表面中引入对称性破缺，作者证明了漏模之间的相消干涉可抑制辐射损耗，从而实现强场增强，并将品质因数提升2500倍，显著提高全介质纳米光子器件中的非线性频率转换效率。

ABSTRACT

We discuss the recent advances in meta-optics and nanophotonics associated with the physics of bound states in the continuum (BICs). Such resonant states appear due to a strong coupling between leaky modes in optical guiding structures being supported by subwavelength high-index dielectric Mie-resonant nanoantennas or all-dielectric metasurfaces. First, we review briefly very recent developments in the BIC physics in application to isolated subwavelength particles. We pay a special attention to novel opportunities for nonlinear nanophotonics due to the large field enhancement inside the particle volume creating the resonant states with high-quality (high-$Q$) factors, the so-called quasi-BIC, that can be supported by the subwavelength particles. Second, we discuss novel applications of the BIC physics to all-dielectric optical metasurfaces with broken-symmetry meta-atoms when tuning to the BIC conditions allows to enhance substantially the $Q$ factor of the flat-optics dielectric structures. We also present the original results on nonlinear high-$Q$ metasurfaces and predict that the frequency conversion efficiency can be boosted dramatically by smart engineering of the asymmetry parameter of dielectric metasurfaces in the vicinity of the quasi-BIC regime.

研究动机与目标

• 探索在孤立亚波长尺寸介质纳米颗粒中应用束缚态在连续谱（BICs）以实现超高-Q共振。
• 研究在介质超原子中通过对称性破缺如何实现辐射损耗被抑制的准-BICs。
• 通过高-Q准-BIC模式中的Purcell增强效应，展示非线性频率转换效率的增强。
• 在介质超表面中建立Fano共振与准-BICs之间的直接关联，以实现可调谐纳米光子器件。
• 基于全介质平台中的BIC物理，建立高性能非线性与传感超器件的设计框架。

提出的方法

• 通过调节可调谐长径比的亚波长圆柱形AlGaAs纳米颗粒，利用Friedrich-Wintgen机制诱导漏模之间的相消干涉。
• 使用有限元仿真计算模式频率和Q因子随纳米颗粒几何形状的变化，识别特定长径比下的准-BIC区域。
• 采用Fano共振模型描述与准-BICs相关的锐利光谱特征，其中不对称参数为关键调谐变量。
• 利用非线性极化率为290 pm/V的模型，模拟二次谐波生成（SHG）效率，并计算准-BIC区域内的本征转换效率。
• 分析近场分布，确认在准-BIC波长处存在强场局域化与增强。
• 将该框架扩展至具有面内对称性破缺的全介质超表面，以支持高-Q共振，便于实际器件集成。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在孤立亚波长尺寸的介质纳米颗粒中工程化束缚态在连续谱（BICs），以实现超高-Q共振？
• RQ2 漏模之间的相消干涉在抑制辐射损耗并促进高折射率介质纳米结构中准-BICs形成的过程中起什么作用？
• RQ3 通过调谐至准-BIC区域，非线性频率转换效率在介质超表面中可被增强到何种程度？
• RQ4 介质超原子的不对称参数如何影响准-BIC模式下的Q因子与场增强？
• RQ5 Fano共振谱型能否在介质超表面中与准-BIC态直接关联，以增强光-物质相互作用？

主要发现

• 通过调节AlGaAs纳米颗粒的长径比以诱导漏模之间的相消干涉，在亚波长尺寸的AlGaAs纳米颗粒中实现了Q因子为2500的准-BIC态。
• 二次谐波生成（SHG）转换效率在准-BIC波长处表现出显著峰值，证明了Purcell效应与场局域化的显著增强。
• 随着泵浦波长趋近于准-BIC共振波长，本征SHG转换效率迅速上升，表明在高-Q模式下存在强烈的非线性增强。
• Q因子的增强归因于通过Friedrich-Wintgen机制抑制辐射损耗，即两个漏模发生相消干涉。
• 反射光谱中的Fano共振谱型与准-BIC态直接对应，证实了Fano型线型与高-Q共振之间的关联。
• 理论分析表明，若不对称参数更小，SHG效率还可进一步增强，其上限仅受材料损耗与制造缺陷限制。