《Optics & Laser Technology》：Quasi bound states in the continuum in microwave metasurface and its sensing characteristics
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permittivity传感器设计基于对称保护连续谱（SP-BIC）和弗里德里希-文廷连续谱（FW-BIC），通过结构不对称性和间隙调整实现，仿真与实验验证其高Q值特性，适用于微带传感器领域。
梁俊宇|周长|周晓峰|李尚茹|王赐成|赵若楠|杨海琳
华中师范大学物理科学与技术学院，武汉430079，中国
摘要
本文介绍了一种基于连续介质中的对称保护束缚态（SP-BIC）和Friedrich–Wintgen束缚态（FW-BIC）的介电常数传感器，适用于微波频段。文中设计了两种类型的超表面：第一种通过改变结构不对称性实现了SP-BIC，第二种通过调整能隙间距实现了FW-BIC。利用多极分解方法分析了由SP-BIC超表面支持的准BIC现象，发现准BIC共振主要由电四极矩（Qe）主导；对于FW-BIC，则通过哈密顿量和耦合振荡器模型进行了分析，仿真结果与理论预测高度吻合。同时，对这两种超表面支持的准BIC共振的传感性能进行了测试，仿真结果与实验结果一致。所提出的超表面在高Q值传感器设备中具有广泛的应用前景。
章节摘录
1. 引言
传统的超表面基于电磁共振状态工作，存在显著的辐射损耗，导致品质因数较低，难以满足高灵敏度传感的要求，限制了其在传感领域的应用。现在，这一问题通过连续介质中的束缚态（BIC）得到了解决[1]：BIC能够将能量完美限制在结构内部，理论上品质因数可达到无穷大。
对称保护BIC分析
图1展示了SP-BIC的单元结构及其三维示意图，包括介电基底F4B和铜金属环。F4B的介电常数为2.2，损耗 tangent为0.001，厚度为0.8毫米；铜的导电率为5.8 × 10^7 S/m，厚度为0.035毫米。在仿真中，x和y方向设置了周期性边界条件，而z方向采用开放边界。
Friedrich-Wintgen BIC分析
图6展示了FW-BIC的单元结构及其三维示意图，其中使用的F4B和铜材料与第2节中的相同。图6(a)显示了FW-BIC超表面的详细几何参数，g3=0，g为调谐参数，其他参数保持不变。图7(a)模拟了不同g值下x偏振波入射时的传输光谱，发现当g=1.95毫米时会出现FW-BIC现象。
传感特性分析
为实现高灵敏度传感，超表面需要具有较高的品质因数和强的场增强特性，这两者共同作用以确保能够有效检测到由微弱环境干扰引起的频率变化。尽管BIC的品质因数理论上为无穷大，但由于其线宽为零，无法用于传感应用。因此，本文提出了改进方案以提升其传感性能。
结论
本文提出了两种超表面，分别证明了SP-BIC和FW-BIC的存在性。当θ=0时，结构具有对称性，能量被束缚；改变θ会破坏对称性，使完美的SP-BIC转变为Q-BIC1。通过多极分解分析，确认Qe主导了Q-BIC1的共振。当g=1.95毫米时，两种共振发生破坏性干涉，从而产生FW-BIC。耦合振荡器模型被用来精确描述FW-BIC的特性。
作者贡献声明
梁俊宇：撰写初稿、方法论设计、形式化分析、概念构建。周长：撰写、审稿与编辑、方法论设计。周晓峰：撰写、审稿与编辑、方法论设计。李尚茹：撰写、审稿与编辑、方法论设计。王赐成：撰写、审稿与编辑、方法论设计。赵若楠：撰写、审稿与编辑、方法论设计。杨海琳：撰写、审稿与编辑、资金申请。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了“中央高校基本科研业务费”（CCNU25ai042）和汉江国家实验室开放基金项目（项目编号：KF2024014）的资助。
