Kerker效应是1983年M. Kerker等人发现的一种特殊散射现象，现象上表现为前向或背向抑制的定向光散射，其物理机制源于电偶极子（ED）模式和磁偶极子（MD）模式之间的相消干涉。近年来，Kerker效应的概念得到了推广和拓展，其共振模式也由最初的ED和MD模式，扩展到诸如电四极子（EQ）、磁四极子（MQ）、环形偶极子（TD）等高阶模式，包含高阶极子模式的Kerker效应被称为广义Kerker效应（GKE）。GKE在微纳光学系统中广泛存在，在定向散射、光场调控、高次谐波激发、偏振态控制、光吸收增强等方面有重要应用价值。
入射角是调控光传输特性的一个重要参数，通过改变入射角来实现GKE具有重要的实用价值。但由于高阶极子模式通常难以激发，它对远场散射的贡献通常弱于低阶的ED和MD，并且高阶极子模式往往对入射角变化更敏感，因此如何在斜入射条件实现GKE是当前一个亟待解决的问题。准连续域束缚态（QBIC）仅通过打破结构对称性或改变入射角，就可以在超构表面上激发出ED、MD、TD和MQ等高鲁棒性的多极子模式。通过调控QBIC丰富的多极子共振模式，可以实现诸如GKE等与多极子模式相关的新现象和新应用。
图1. 硅基超构表面及其能带特性
研究使用TE偏振光照射方形纳米孔阵列组成的硅基超构表面，衬底为SiO2（图1a）。面内电场占主导地位的 TE -like模式：TEA、TEB 和 TEC 带为所研究的能带（图1b）。TEA 和 TEB 是对称保护（SP）BIC，它们在Γ点具有无限品质（Q）因子，而 TEC则对应于低 Q 的泄露模式共振（LMR）（图1c）。Γ点的TEA和TEB的场分布被完美地局域在超构表面内，而Γ点的TEC电场在空气和衬底中都存在辐射（图1d）。在动量空间Γ点处TEA和TEB拓扑电荷分别为+1和-1，它们的远场偏振态不同（图1e和1f）。
图2. 硅基超构表面的光谱响应
随着入射角的增加，TEA、TEB和TEC模式的共振会被激发（图2a）。为了清楚地显示共振模式在超构表面光谱中的位置，透射响应以对数尺度表示（图2b），可以看出，随着入射角的增大，TEA的QBIC#1共振发生了轻微的红移，并且由于SP-BIC的特性，其带宽也增加了，而 TEB的QBIC#2共振表现为杂化模式，因为它与低q LMR在斜入射下相互作用，并θ=8°处出现了有趣的共振消失现象。正入射时，低Q的LMR被激发，通过对数尺度的透射响应可以清楚地识别出LMR的准确共振位置（1552.3nm）（图2c）。入射光偏离正入射，两个暗SP-BIC模式的辐射通道被打开，并且由于入射角扰动较小，两共振的Q因子较高（图2d）。如果继续增大入射角，QBIC#2和LMR会相互接近，在1543.5 nm处由于Kerker角θ=8°处的光谱重叠而合并为QBIC#2&LMR杂化模式（图2e和2f）。
图3. 硅基超构表面的多极子模式特性
为了更好地理解两个QBIC的共振机制，特别是在θ=8°处消失的QBIC#2，计算了多极子模式的远场散射和相位分布。QBIC#1和QBIC#2在θ=4°处的共振分别由MQ和MQ- MD杂化模式主导（图3a和3b）。然而，尽管QBIC#1和QBIC#2在θ=8°时的主导模式相同，但在θ=8°时，MQ-MD杂化模式的增强幅度相等，但相位差相反（Δφ=π）（图3c和3d）。因此，由于MQ和MD模式的完全相消干涉，导致QBIC#2的共振在Kerker角处消失。QBIC#1的电场增强产生了四个热点，磁场也得到了增强，验证QBIC#1的共振由MQ模式主导（图3e）。QBIC#2除了与MQ模式相似的场分布外，还存在额外的MD模式，表现为MQ-MD模式杂化的场分布特性（图3f）。
图4. 实验样品及其测试光路
实验中采用电子束光刻（EBL）和电感耦合等离子体（ICP）刻蚀工艺，在340 nm厚的绝缘硅片（SOI）晶圆上制备了尺寸约为200×200 μm2的硅基超构表面样品。使用扫描电子显微镜（SEM）表征了制造器件的几何参数，器件的俯视图和侧视图SEM图像（图4a-c）。工作波段在电信S+C波段的可调谐激光首先通过Y偏振片，然后由透镜（L1）通过分束器（BS）聚焦到10倍物镜的后焦平面上。通过在xoy平面上移动L1来控制激光在样品上的入射角，反射光被该共聚焦装置的同一物镜收集，并使用翻转反射镜切换CCD或光谱仪的光线。X偏振片用来阻挡反射光（Y偏振），通过抑制背景反射有效提高共振信号光强度。
图5. 实验测试的角反射光谱演化特性
这项研究提出基于QBIC实现GKE的方法，并采用硅基超构表面实现斜入射条件下GKE的观测。通过将QBIC态与入射角调控相结合，为实现GKE及其相关应用提供了一个新途径，这不仅揭示了超构表面中Kerker效应动态控制的新机制，而且为纳米光子器件的多功能应用开辟了新的可能性。
江南大学桑田教授和华东师范大学李林研究员为论文的通讯作者。江南大学硕士研究生景泽为论文的第一作者。其他具有突出贡献的作者还包括华东师范大学黄陆军研究员、博士研究生李双利，江南大学王跃科副教授、硕士研究生欧阳思远、陆钧剑。本研究获得国家自然科学基金（62375113, 12274134, 12192251），上海市教育委员会基金（2023ZKZD35），区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室开放课题（2024GZKF15）资助。
文章链接：
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c05421
