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作者及机构
本研究由Gyeong Cheol Park（第一作者，来自韩国电子通信研究院ETRI及Inoptix公司）与Kwangwook Park（通讯作者，来自韩国全北国立大学先进材料工程系、电子与信息工程系及氢能与燃料电池研究中心）共同完成。研究成果发表于期刊《Optics and Laser Technology》2025年第189卷，文章标题为《Quasi-bound states in the continuum induced via surface roughness》。

学术背景
本研究属于光子学与超表面（metasurface）领域，聚焦于连续域束缚态（Bound States in the Continuum, BICs）的激发机制。BICs是一种理论上具有无限品质因子（Q因子）的光学共振态，但其实际应用需通过打破结构对称性将其转化为准BICs（quasi-BICs），从而获得有限但极高的Q因子。传统研究多通过规则对称性破缺结构（如刻痕、倾斜侧壁）激发quasi-BICs，而表面粗糙度（surface roughness）作为一种非规则对称性破缺因素，其对quasi-BICs的影响尚未充分探索。本研究旨在揭示表面粗糙度对1D超表面中quasi-BICs的调控作用，填补该领域的知识空白。

研究流程
1. 模型构建与验证
- 研究对象：基于硅-on-绝缘体（SOI）平台的1D超表面（高对比度光栅，High-Contrast Grating, HCG），对比三种结构：
- 平坦超表面（flat metasurface）
- 规则对称性破缺结构（含刻痕的dented metasurface）
- 非规则粗糙侧壁结构（rough metasurface）。
- 方法：采用自主研发的严格耦合波分析（Rigorous Coupled-Wave Analysis, RCWA）软件进行数值模拟，通过高斯自相关函数生成随机粗糙侧壁剖面（粗糙度σ=1–10 nm，相关长度ζ=12 nm）。
- 验证：通过反射谱和电场分布（|E|）对比粗糙结构与规则结构的共振特性，确认粗糙度可激发quasi-BICs。

1. 粗糙度影响分析

   • 样本量：对每种粗糙度（σ=1/3/5/10 nm）生成500组独立粗糙剖面。
     
   • 关键参数：分析共振波长分布、最大电场强度（|E|max）及Q因子。
     
   • 发现：
     
     • 粗糙度增大导致共振波长向长波方向展宽（如σ=10 nm时，λ_res扩展至1474–1497 nm）。
       
     • |E|max随粗糙度增加而升高（σ=10 nm时达197.17），但多数剖面仍表现为弱共振（|E|max≈3）。
       
     • 部分粗糙剖面因对称性保留表现出“隐藏BIC”特性。

2. 超胞（super-cell）效应研究

   • 设计：构建含3/5/7个独立粗糙光栅的超胞，分析多光栅相互作用。
     
   • 结果：
     
     • 光栅数量增加使共振波长收敛至平坦结构的BIC波长（~1478.51 nm）。
       
     • |E|max随光栅数量增加而降低（7光栅时降至17.16），表明粗糙效应被平均化。

3. 混合光栅（Hybrid Grating, HG）拓展

   • 结构：在粗糙超表面顶部覆盖高折射率均匀层（n_cap=3.583）。
     
   • 发现：激发两种具有相反宇称（parity）的quasi-BICs，分别位于1310 nm（短波，电场集中于光栅）和1735 nm（长波，电场集中于覆盖层）。

主要结果
1. 粗糙度与quasi-BICs的关联性
- 反射谱中观测到尖锐共振峰（如σ=3 nm时，Dip反射率低至8.33%），电场分布显示典型的quasi-BICs模式（不对称翼状结构）。
- 数据表明，粗糙度通过非规则对称性破缺有效激发quasi-BICs，且最大|E|max与粗糙度正相关（σ=10 nm时达197.17），与传统规则结构（Q因子与不对称度平方反比）行为相反。

1. 超胞的收敛效应

   • 多光栅超胞中，共振波长分布范围随光栅数量增加而缩小（7光栅时Δλ nm），证明粗糙效应可通过结构扩展被抑制。

2. 混合光栅的双共振特性

   • HG结构在覆盖层引入后，额外激发一个宇称相反的quasi-BIC，拓宽了BIC调控维度。

结论与价值
1. 科学意义
- 首次系统证明表面粗糙度可作为非规则对称性破缺手段激发quasi-BICs，丰富了BIC调控的理论框架。
- 揭示了粗糙度与共振特性的非线性关系（如|E|max随σ增加而升高），为高Q器件设计提供新思路。

1. 应用价值
   
   • 为基于超表面的激光器、传感器等器件提供工艺容差分析依据（如无需完美刻蚀即可实现高性能共振）。
     
   • 混合光栅设计可应用于宽带反射镜或双波长光子器件。

研究亮点
1. 方法创新：首次将随机粗糙度建模与RCWA结合，量化分析非规则对称性破缺效应。
2. 发现特殊性：粗糙度导致的|E|max升高现象与传统规则结构相反，提出“有效宽度增加”机制解释波长红移。
3. 应用拓展性：混合光栅中双quasi-BICs的发现为多频段光学器件设计开辟新途径。

其他有价值内容
- 研究补充数据（如不同入射角下的反射谱、模式宇称分析）进一步验证了粗糙结构的BIC调控鲁棒性。
- 作者指出，未来可探索粗糙度与材料损耗的协同效应，以优化实际器件的Q因子。