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如何理解光学里的BIC?

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BIC是连续谱中的束缚态(Bound states in the continuum)的简称。从名字上来看,我们要理解BIC,需要先理解几个相关概念(从波导的视角来理解):普通的束缚态(Bound states),连续谱中的辐射态(Leaky states in the continuum),最后才是BIC。

图1. 束缚态(Bound states)。

对于光学波导来说,普通的束缚态其实就是波导模式。如图1左侧的色散曲线所示,可以导波的光波导模式,其色散曲线(黑色曲线)在光锥(蓝色直线之上为光锥)之下。如果我们选择同一个频率,如图红色虚线所示,可以看到光波导模式的动量(k2)是比真空中的动量(k1)要大的。由于波矢和等效波长是一一对应的,所以波导模式的等效波长等短(λ1> λ2)。图1右侧,将等效波长分别画出来,我们会发现,从波导到自由空间中无法满足动量匹配条件:也就是无法像动量匹配那样丝滑的波峰波谷一一对应(电磁波的折射:波矢匹配视角)。由于动量不匹配的原因,波导模式不向自由空间辐射,因此称之为束缚态。

图2. 连续谱中的辐射态(Leaky states in the continuum)。

与束缚态(Bound states)对应的就是辐射态(Leaky states)了。辐射态既色散曲线处于光锥之内的模式,如图2作图所示的黑色曲线。与自由空间里的电磁模式(k1)相比,在波导里面的模式的的动量(k2)更小,固等效波长更长(λ2> λ1)。此时,总可以通过调整自由空间中的平面波的波矢的k1方向使得波导模式和自由空间的模式在界面上(红色线)满足波矢匹配的原则:波峰波谷丝滑匹配。这个时候,在波导里面传播的能量是可以向自由空间辐射的,这种模式为通常的连续谱中辐射态。换句话说,连续谱中的辐射态是波导模式的常态,连续谱意味着辐射。

图3. 连续谱中的束缚态(Bound states in the continuum)。

有了上面两个概念的铺垫,连续谱中的束缚态(BIC)也就呼之欲出了。如图3所示,当波导的色散曲线处于光锥之内的时候,由于波矢匹配的原因,原则上来说,能量是会辐射到自由空间中的。但是由于近场远场的偏振不匹配或者其他的原因,这个模式却不辐射,此既为BIC。BIC不辐射的原因近年来有大量文章讨论,这里就不赘述。BIC特殊是因为连续谱中本该是辐射态,但是这个模式却被束缚住了。


来源:微波工程仿真
光学UM
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2025-07-12
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周末--电磁仿真
博士 微波电磁波
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