高Q共振通常伴随显著的角色散，即入射角发生微小变化即可引起明显的共振波长漂移，从而降低器件的光谱稳定性与实际工作容差。针对这一难题，我室硕士研究生禚友朋（第一作者）、邹秋顺副教授和沈祥研究员，提出了一种基于反交叉模式杂化的金属—介质混合非对称纳米条带（MHAN）超表面结构，通过将对称性破缺准BIC激发与反交叉平带工程相结合，对高Q共振的角色散进行主动重塑，并进一步实现低角色散窄带红外吸收及动态热光谱调谐。成果以“Avoided-crossing engineering of quasi-BIC resonances for flat-band metadevices with suppressed angular dispersion”为题发表于 Optics Express 卷34 期21，40020-40029页（2026）。

       链接：https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-34-21-40020

一、研究背景

       高品质因子（high-Q）光学共振具有窄线宽和强局域场增强等优势，在高分辨率光谱、窄带滤波、光学传感及热辐射调控等领域具有重要应用价值。其中，连续谱束缚态（bound states in the continuum, BIC）能够在连续辐射谱中保持高度局域的光学模式，并通过抑制辐射损耗获得极高的品质因子。对于对称保护BIC（SP-BIC），适当破坏结构面内对称性可打开有限的辐射通道，使原本无法从远场直接激发的暗态转化为具有窄线宽和高Q特性的准BIC（quasi-BIC）共振。

       然而，共振线宽越窄，其对入射角引起的波矢变化越敏感。传统准BIC共振分支通常具有明显色散，当入射角发生变化时，共振波长漂移甚至可达到与共振线宽相当的量级。因此，对于实际光子器件而言，仅追求更高Q值并不足够，如何在保持窄线宽的同时降低共振波长对入射角的敏感性，是高Q准BIC器件进一步发展的关键问题。

       针对这一矛盾，本研究引入反交叉（avoided-crossing）模式杂化机制。当两个具有不同模态特征的共振分支在波长—入射角空间逐渐接近时，模式间耦合会显著改变共振分支的斜率和曲率。如果这种杂化引起的能带形变能够抵消部分波导模式的本征角色散，便有可能将原本倾斜的高Q共振分支重塑为低角色散平带。

二、研究亮点

1. 对称性破缺实现高Q准BIC激发，并建立反交叉模式杂化机制

       本研究设计了一种由周期性非对称双纳米条带、介质波导层、金属背反射层和衬底组成的MHAN结构。通过调节双纳米条带的面内结构不对称度，可以将对称条件下的SP-BIC转化为能够被远场激发的高Q准BIC共振，并实现对共振线宽与辐射耦合强度的调控。

       在此基础上，当两个具有不同模态特征的共振分支逐渐靠近时，体系形成明显的反交叉区域。空间电场分布进一步揭示，随着入射角跨越反交叉区域，D1和D2两条共振分支中的波导型和纳米条带相关模态特征发生连续重新分布：一个分支逐渐增强纳米条带相关特征，而另一分支则向波导型模态特征演化。这说明共振分支斜率和曲率的改变源于模式杂化导致的能带重构，而非两个相互独立的色散模式简单交叉。

图1. 准BIC激发及反交叉模式杂化机制

2. 反交叉平带工程有效降低准BIC共振角色散

       为了进一步抑制角色散，本研究利用介质层折射率和结构参数对反交叉区域进行系统调控。结果表明，波导层折射率主要决定反交叉区域的光谱和角度位置，而纳米条带折射率则主要影响模式间耦合强度与峰值吸收。通过进一步调节波导层厚度，可以连续改变反交叉区域的位置及杂化分支曲率，从而实现对准BIC色散的精细重塑。当波导层厚度约为 h2≈0.65μm时，模式杂化产生的能带弯曲能够较好地抵消波导模式的本征角色散，使目标共振分支的波长漂移显著降低。优化后的结构在-12°至 12°的有限入射角范围内形成低角色散平带响应。

       进一步的多参数分析表明，纳米条带高度 h1、周期 p 和波导层厚度h2分别从反交叉位置、共振分支曲率以及平带角度跨度等不同维度参与调控。这说明所得平带并非单一结构参数偶然优化的结果，而是多个结构自由度协同调控模式杂化和色散的结果。

图2. 反交叉平带工程及低角色散共振特性

3. 金属背反射结构实现窄带吸收，并进一步拓展热光谱动态调控

       在获得低角色散平带共振后，本研究进一步利用金属背反射层抑制光学透射，将杂化准BIC共振转化为窄带红外吸收响应。在所研究的有限入射角范围内，目标吸收峰的波长漂移得到明显降低，同时共振线宽和峰值吸收率保持相对稳定，说明该设计能够将平带色散优势进一步转化为较稳定的窄带光学响应。

       为了验证器件的动态可调谐能力，研究进一步引入具有明显热光效应的乙醇作为周围介质。随着温度变化，乙醇折射率发生连续改变，从而调制杂化模式的有效折射率，使D1和D2两个窄带吸收峰产生连续光谱移动。该结果表明，反交叉平带架构不仅能够用于角色散调控，还能够与热光材料结合，实现动态光谱调谐，为红外窄带滤波、温度感知及液体折射率相关传感等应用提供进一步拓展空间。

图3. 低角色散窄带吸收及乙醇热光谱调谐

三、总结与展望

       本研究构建了一条从对称保护BIC、对称性破缺准BIC、反交叉模式杂化到低角色散平带工程的完整设计路径。不同于单纯依赖几何参数寻找低角色散工作点，该方法利用共振模式间的杂化主动改变能带斜率和曲率，从物理机制层面对高Q准BIC的角色散进行调控。通过介质折射率和多个结构自由度的协同优化，器件在保持高Q窄带响应的同时实现了有限入射角范围内的波长漂移抑制，并进一步结合金属背反射结构和热光介质实现窄带吸收与动态光谱调谐。该研究为低角色散高Q超表面、窄带红外滤波器、可调谐光子器件及高灵敏光学传感器提供了一种新的设计思路。

       未来，进一步优化模式场与环境介质之间的空间重叠、扩大低角色散工作角度范围，并开展器件制备与实验验证，有望进一步推动此类平带准BIC超表面从数值设计向实际红外光子器件发展。