Photonics Research 2024年第10期On the Cover：
Shi-Tong Xu, Junxing Fan, Zhanqiang Xue, Tong Sun, Guoming Li, Jiandi Li, Dan Lu, Longqing Cong, "Active control of terahertz quasi-BIC and asymmetric transmission in a liquid-crystal-integrated metasurface," Photonics Res. 12, 2207 (2024)
连续域束缚态（Bound state in the continuum, BIC）是一种存在于连续辐射光谱中但仍然保持局域化的电磁本征态，由金属或介质材料制备的超材料/超表面/光子晶体可以支持BIC或者准BIC，但其结构参数一旦确定便无法实现响应的主动调控。该封面文章提出了一种基于液晶集成的可调谐准BIC器件，该器件通过外场调控液晶分子取向来改变结构的折射率，从而实现对准BIC模式的主动控制。此外，这种超表面与液晶集成的异质器件提供了一种打破传输方向对称性的便捷方式，可实现高对比度的非对称传输响应。该研究提出的基于液晶填充的准BIC器件为太赫兹动态调控提供了有效途径，在太赫兹通信、开关和传感等系统中都具有重要的应用价值。
李贝贝研究员，中国科学院物理研究所
Photonics Research 青编委
近年来，连续域束缚态（Bound-states in the continuum, BIC）因其无限的光子寿命和品质因数，在增强光-物质相互作用的应用方面引起了广泛关注。然而，目前光学BIC或准BIC结构一般由金属或介质材料的超材料/超表面/光子晶体加工而成，其结构参数一旦确定，器件的主动调控便难以实现，较大程度地限制了其功能性和应用场景。若将可调谐材料与超材料或超表面相结合，则可以打破BIC结构难以调控的限制，为实现可调谐太赫兹准BIC器件提供一种有效的途径。特别地，液晶（LC）在太赫兹（THz）波段具有较大的双折射和较低的吸收损耗，并且其取向可以通过外部电场、磁场或光场主动控制，是一种非常有效的THz波段活性材料。目前，基于液晶集成的超表面因其在电磁波可调谐控制方面的优势而备受瞩目。
为此，曲阜师范大学许士通副教授以及南方科技大学丛龙庆副教授课题组，提出一种基于液晶集成超表面的器件，通过实验展示了偏振诱导的太赫兹准BIC主动调制响应。在外场作用下，该器件可以通过调控液晶取向实现其准BIC谐振从OFF态向ON态的主动控制。基于这种超表面和液晶集成的异质器件，该工作还验证了其非对称传输能力，为主动可调谐准BIC器件提供了一个新的范例，在太赫兹通信、开关和传感系统中具有重要的应用价值。相关成果以“Active control of terahertz quasi-BIC and asymmetric transmission in a liquid-crystal-integrated metasurface”为题发表于Photonics Research 2024年第10期，被遴选为封面文章。
图1(a)为所提出的液晶集成连续域束缚态器件，由上方双开口的金属谐振环、石墨电极层、中间液晶层以及二氧化硅衬底组成。其中，双开口的金属谐振环用于提供准BIC模式。液晶取向是通过施加在上下两层的石墨电极层以及外加磁场联合操控，如图1(b)所示，在电场磁场联合取向下，液晶分子可以在z-u平面进行梯度调控。该器件的基本原理是：通过液晶分子的取向变化改变入射太赫兹的偏振状态，进而实现非谐振模式向准BIC模式的转化，如图1(c)所示。
图1 所提出的液晶集成连续域束缚态器件。(a) 三维结构示意图；(b) 外场下的液晶取向演变；(c) 准BIC从OFF状态到ON状态的主动调制
图2介绍了金属双开口谐振环（DSRR）的谐振情况，单元结构示意图如图2(a)所示，该工作可以通过改变DSRR的对称破缺角度，实现BIC模式向准BIC模式的转变。该部分的实验对0°、15°、30°和45°四个旋转角度进行了模拟，并且分析了不同破缺角度下的透过率谱，可以发现当破缺角度为0°时透射谱仅在0.8 THz处出现了一个谐振谷，随着角度的增加在低频位置产生了新的谐振，实验结果与模拟仿真结果吻合程度较高，如图2(b)和2(c)所示。品质因数随破缺角度的变化如图2(d)所示，模拟仿真的电流分布如图2(e)-(f)所示。
图2 (a) 金属双开口谐振环单元结构。BIC模式向准BIC模式的演化(b) 实验结果和(c) 模拟结果；(d) 不同对称破缺角度下的品质因数；(e)-(f) 模拟仿真的表面电流分布
图3给出了液晶双折射和准BIC在特定对称破缺下的透射谱。通过时域光谱和傅里叶变换的频率谱，可以发现在外场调制下单独液晶层表现出了较大的双折射。集成双开口谐振环之后，其偏振依赖的光谱响应以30°破缺角度样品为例展示在图3(e)和3(f)。
图3 (a) 液晶在电场和磁场下的双折射测试示意图；(b) LC沿y 轴和z 轴定向下的实验时域信号（以不含LC的双石英层为参考）；(c) 液晶双折射和相位差；(d) 破缺角度为30°时的准BIC结构显微镜图像；(e) 准BIC结构的实验透射振幅光谱；(f) 准BIC结构的模拟透射振幅光谱
图4表明通过调控液晶取向，器件实现了准BIC模式的主动可调谐。图4(a)为实验的测试示意图，为了说明器件的偏振转化效果，在样品后面放置偏振片，通过旋转偏振片检测未转化和转化的线偏振分量。图4(b-c)分别给出了液晶在两种绝对取向下的器件偏振演化和对应的透过率谱。实验中在前向入射和后向入射下的偏振分量如图4(d-g)所示，结果表明器件在不同外场下实现了准BIC的主动调制，并且基于前向入射和后向入射的差异还能够实现非对称传输。
图4 液晶集成准BIC器件的实验测试结果。(a) 实验测试装置示意图；液晶沿着(b) z轴和(c) u轴的偏振态转换和透射光谱示意图。前向入射（+z方向）时不同电压下，实验测得的(d) Txx和(e) Tyx偏振分量；后入射（-z方向）时实验测得的(f) Txx和(e) Tyx极化分量
图5展示了器件非对称传输的结果和物理机制。通过对比图5(a)和5(b)，可以发现由于器件在前后入射下的不同偏振响应，从DSRR出射的太赫兹波表现为两种不同的透射效果。图5(c-f)给出了在不同电压下前向和后向入射情况下的透射率光谱。零电压时，液晶层的偏振转换能力最强，在0.56 THz处实现了9.8 dB的隔离度；随着电压的增加，液晶层逐渐失去偏振转换能力，非对称透射效应减弱，当电压为150 V时，隔离度仅为1.9 dB。因此，该工作通过调控液晶取向实现了对非对称透射的主动控制。
图5 基于准BIC调控的器件非对称传输。(a) 前向入射和(b) 后向入射时的偏振转换和透射光谱示意图。电压为(c) 0 V、(d) 70 V、(e) 110 V 和(f) 150 V时前向和后向入射的传输振幅（dB）
丛龙庆副教授表示：“连续域束缚态研究为增强光与物质相互作用、设计超高品质因数器件提供了新平台，并且在传感和非线性光学等领域展现出了重要应用价值。实现对BIC的主动调控是探索其在太赫兹技术领域应用的重要方向。本文通过集成液晶调制准BIC，为实现主动调制器件提供了可行方案，为后续拓展空间光调制器及成像、通信应用奠定了理论和器件基础。”
