摘要
在光子学领域，实现紧凑且拥有高品质因子的结构是研究人员一直以来的追求。近年来，光学连续体束缚态(bound state in the continuum,BIC)因其对光场的强局域化作用而备受关注。随着光子学和纳米加工技术的快速发展，BIC在光子学领域变得极具吸引力且获得了诸多应用。在实际应用中，由于工艺造成的缺陷以及外部环境等因素连续体束缚态会退化为准连续体束缚态(quasi-BIC),这种依然具有较高品质因子的准BIC在光波导、传感器和非线性光学领域都得到广泛的应用。 本文利用光学BIC进行了手性和非线性两种超表面设计，这两个工作探究了 BIC的物理机制和分析方法，同时为基于BIC的手性和非线性超表面设计提供了新的思路。本文的主要工作如下: 基于准连续体束缚态的强圆二色性手性选择超表面。针对微纳光学领域里对于手性超表面强圆二色性和稳定性的要求，本工作设计了一款由具有中断的环形槽的元胞构成的BIC硅超表面。通过破坏元胞的面内对称性从而把BIC转化为准BIC，采用多极子理论分析阐明了准BIC引起的共振起源，同时对于拓扑偏振态的分析揭示了准BIC超表面产生手性的机制。在手性光激励下，对称破坏后的超表面元胞在准BIC模式下展现出的CD值均达到-0.8,其中手性效果最强时圆二色性(CD)值可达-0.93,这说明了此BIC超表面的强手性选择性和稳定性。在最后的手性传感中，手性超表面展现出约0.003的光谱分辨率。本工作得到的结果将有望用于手性传感、非线性手性光学、低阈值激光器等领域。 双准连续体束缚态驱动的非线性超表面。针对在非线性光学领域中如何提高二次谐波转化效率这一问题，本工作提出了一种AlGaAs材质的十字型槽晶格构成的超表面。通过能带和本征态理论分析与计算，得出该超表面在两个不同的波段处均存在BIC。破坏构成超表面的元胞的对称性并计算出准BIC的透射谱，可以发现在20 nm破坏的情况下两个准BIC共振点分别存在于基波和二次谐波处，同时多极分析揭示了这两个强共振的起源。最后在1 GW/cm2的泵浦功率的激励下，显示出超表面在两个波长窗口处高Q准BIC的模式下，对于二次谐波的产生效率提高了 4个数量级，效率最大值可达3×10-3。这项工作的结果有潜力用于BIC非线性超表面的设计中。
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