基于CST的连续域束缚态（BIC）设计与机制研究

关键词：太赫兹，超表面，连续域束缚态，CST，高Q

束缚态的概念最先出现于量子力学中，当粒子被势场约束在特定的区域内运动，即在无限远处波函数等于零的态叫束缚态，例如势阱中的粒子就处于束缚态。正常来说，束缚态会位于远离传播波跨越的连续谱范围之外，即离散束缚态。但连续域束缚态(Bound states in the continuum，BIC)是一种特例，它处于连续波谱之中并与其他的辐射波共存，同时自身没有任何的能量泄露，与自由空间解耦。在超材料中于整个系统来说，BIC结构对于外界是没有辐射的，即没有辐射损耗（半高全宽为0），无法在谱线上观测出来。对于理想BIC来说，可以产生无穷高的Q值。但由于BIC在谱线上的观测并不直观，为了判断BIC的频率位置以及验证其高Q值的特性，通常在结构中引入一些微小的扰动或缺陷，这样可以在谱线上产生尖锐的准BIC峰（法诺峰），从而得到准BIC的频率和Q值的大小。因BIC和准BIC具有高Q值的特性，现已广泛的应用在增强非线性效应，超灵敏传感以及低阈值激光器等领域。

单元结构设计

这里为了方便，采用比较常见的BIC结构为例，模型如下：

本文的设计频段为0.1-0.8THz，入射光偏振方向为x方向，通过调节结构的参数，从而实现BIC到准BIC，无穷大Q值到高Q值的转换，仿真结果如下图所示。

表面电流分析

从上图可以得到不同角度下得BIC与准BIC的频率位置。BIC和准BIC处的表面电流分布如下：

从图中可以看出BIC时的表面电流与本征态时的分布相同，而准BIC态则成一种环形电流分布，为磁偶极子模型。

理论计算

基于BIC产生的基本原理和模型设计情况，利用耦合模方程可以对仿真谱线进行计算验证，计算结果如图所示。

通过调整不同的超表面结构单元参数，可以实现准BIC到BIC的转化，也可以实现不同频段下BIC结构的设计。同时，基于耦合模理论，可以设计出不同模式产生的BIC结构和其对应的理论计算谱线。