学术研究报告：基于连续体束缚态的拓扑手性超表面实现宽带可调谐双圆二色性

一、作者及发表信息
本研究的通讯作者为苏州大学光电科学与工程学院的Xin Hu和Chinhua Wang，第一作者为Chenqian Wang。研究团队还包括Rui Wang、Xiguo Cheng等合作者。该成果于2024年7月11日发表在《ACS Nano》（影响因子：18.189），标题为“Passively Broadband Tunable Dual Circular Dichroism via Bound States in the Continuum in Topological Chiral Metasurface”。

二、学术背景
科学领域：研究属于纳米光子学与手性光学交叉领域，聚焦于超表面（metasurface）对圆偏振光的调控。
研究动机：传统手性超结构的圆二色性（Circular Dichroism, CD）响应通常受限于固定结构参数，缺乏动态调谐能力。尽管通过活性材料（如液晶、石墨烯）可实现外部调控，但其性能受限于材料本身的弱手性和低调节效率。近年来，连续体束缚态（Bound States in the Continuum, BICs）因其高Q因子特性被引入手性光学领域，但现有BIC器件仍受限于严格的波矢匹配条件，难以实现宽带调谐。
研究目标：提出一种基于拓扑保护的二维全介质手性光栅超表面，通过BIC模式与手性模式的耦合，实现被动式宽带可调谐双CD响应及动态偏振态调控。

三、研究流程与方法
1. 超表面设计与仿真
- 结构设计：采用硅（Si）手性光栅结构，单元内包含对称三角形翼状扩展（周期p=900 nm，Si脊宽度w=200 nm），通过非对称参数η调控结构对称性。
- 仿真工具：使用Lumerical FDTD软件进行全波电磁仿真，硅折射率设为3.48（近红外波段），SiO₂衬底折射率为1.445。
- 模式分析：通过能带结构计算发现，手性光栅在γ点形成Dirac简并态，混合了BIC模式与圆二色性模式（CDM），后者由导模共振（Guided Mode Resonance, GMR）实现。

1. 光学特性验证

   • CD响应：在正常入射（θ=0°）下，1.6 μm波长处观测到近100%的CD峰值（FWHM=10.2 nm）。Jones矩阵分析表明，左旋圆偏振（LCP）与右旋圆偏振（RCP）的电场分布差异显著。
     
   • 角度调谐机制：斜入射时，BIC模式被激发，CD峰分裂为两个可调谐峰，波长随入射角线性偏移（带宽180 nm）。非对称结构（η=1.2）下，CD分裂现象在近法向入射（θ=±0.3°）时仍存在。
     

2. 实验制备与表征

   • 样品制备：通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）沉积330 nm硅膜，电子束光刻（EBL）和等离子刻蚀制备手性光栅。SEM显示结构对称性（η=1）与非对称性（η=1.2）与设计一致。
     
   • 光学测量：搭建超连续激光-偏振分析系统，测量透射光谱及斯托克斯参数。实验结果与仿真吻合，验证了CD分裂（1644 nm和1652 nm）及偏振态可调性（线性至圆偏振转换）。
     

四、主要结果
1. BIC与CDM的耦合效应：手性扰动将纯光栅的BIC模式转化为混合模式，其中GMR模式产生强CD响应，BIC模式通过Dirac简并提供调谐自由度。
2. 宽带被动调谐：通过入射角调控（θ=0°–20°），CD峰波长可在1.5–1.7 μm范围内线性偏移，无需外部主动调控。
3. 偏振态动态调制：非对称结构（η≠1）下，输出偏振态可在分裂CD峰处实现线性至圆偏振的连续调控，调谐速率由η控制。
4. 拓扑保护特性：能带结构显示BIC与GMR模式的简并对结构参数变化（如w、δ、u）具有鲁棒性，降低了加工精度要求。

五、结论与价值
科学价值：
- 提出了一种基于拓扑保护BIC的手性超表面新机制，突破了传统BIC器件对波矢匹配的严格限制。
- 通过结构-角度双不对称性耦合，实现了CD响应与偏振态的多维度调控。
应用前景：该设计可应用于高光谱成像、光学安全系统、角度传感器、手性激光器及非线性滤波器等动态手性光学器件。

六、研究亮点
1. 创新方法：首次将Dirac简并的BIC模式与手性光栅结合，实现被动式宽带调谐。
2. 高性能指标：实验测得CD峰值接近100%，调谐带宽达180 nm，优于现有活性材料方案。
3. 拓扑保护优势：结构参数鲁棒性为实际加工提供了容错空间。

七、其他发现
研究还揭示了非对称参数η对偏振调谐速率的调控规律（见支持信息S4），为定制化器件设计提供了理论依据。