摘要
红外波段包含丰富的分子振动与热辐射信息，在探测、传感和热辐射调控等领域具有重要应用。随着红外器件向高灵敏度、小型化与集成化发展，传统器件结构限制了其性能提升。连续域束缚态(Bound State in the Continuum, BIC)及其可激发形式——准BIC，为实现高品质因子与强光场局域提供了有效途径。通过引入结构破缺，可将理想BIC转化为具有有限辐射泄漏的准BIC共振，从而实现窄线宽响应以及与自由空间的有效耦合。本文系统综述了准BIC的物理机制与典型实现方法，总结了其在红外吸收增强、红外传感、热辐射调控和红外主动调制等方面的研究进展，并介绍了在红外激光器、上转换成像以及红外光与物质强耦合等方向中的拓展应用。最后分析了当前准BIC驱动的红外器件在损耗控制、结构鲁棒性和集成实现等方面所面临的挑战，并对其发展趋势进行了展望。
Abstract
The infrared spectral region encompasses a wealth of information regarding molecular vibrations and thermal radiation, making it crucial for applications in detection, sensing, and thermal management. As infrared devices evolve toward higher sensitivity, miniaturization, and integration, traditional device architectures have begun to limit performance improvements. Bound states in the continuum (BICs) and their excitable counterparts, quasi-BICs, offer an effective pathway to achieving high quality factors and strong optical field confinement. Through deliberate symmetry breaking or structural perturbations, ideal BICs can be converted into quasi-BIC resonances with finite radiative leakage, enabling narrow-linewidth spectral responses and efficient free-space coupling. This paper provides a comprehensive review of the physical mechanisms and typical implementation approaches of quasi-BICs. It summarizes research progress in areas such as infrared absorption enhancement, infrared sensing, thermal radiation manipulation, and active infrared modulation, while also discussing extended applications in infrared lasers, up-conversion imaging, and strong light-matter coupling. Finally, the paper analyzes current challenges in quasi-BIC-driven infrared devices concerning loss management, structural robustness, and on-chip integration, and offers an outlook on future development trends.
0 引言
红外波段涵盖了丰富的分子振动、热辐射以及物质特征响应信息，在探测、传感、生物医学、热管理、成像与光通信等领域具有重要的应用价值[1-2]。随着相关技术的快速发展，红外器件对光场局域能力、谱线选择性、功能集成度和系统小型化的要求不断提高，给器件结构设计提出了更高挑战。
近年来，微纳光学与超表面技术的发展为高性能红外器件提供了新的实现路径。通过在亚波长尺度上调控结构单元的几何参数、材料分布和模态耦合方式，可以有效增强红外光与材料之间的相互作用，实现对振幅、相位、偏振和频谱响应的灵活调控[3]。然而，传统的微纳结构通常与自由空间的辐射连续域直接耦合，难以避免辐射损耗，导致共振品质因子和光场约束能力受到制约，在一定程度上限制了其在红外器件中的进一步应用[4-6]。
为突破上述瓶颈，近年来研究人员将BIC引入红外器件设计。BIC是一种处于连续辐射谱中，但不能向外辐射的特殊本征态，理论上具有无穷大的品质因子[7]。其形成通常与本征模和辐射通道之间的对称性失配、多个泄漏通道之间的相消干涉有关[8-9]。基于这些特征，BIC具有实现强光场局域和超窄线宽共振的潜力。
然而，理想BIC与自由空间完全解耦，难以被自由空间光场直接激发[7-10]。实际器件中，结构加工的不完美(表面粗糙度和几何误差)、有限单元构成的有限尺寸效应以及材料本征吸收等损耗通道，使得BIC与辐射连续域产生弱耦合，从而转化为准连续域束缚态(准BIC)[4,10-14]。因此，在器件实现层面更具实际意义的往往是准BIC。在设计中有意引入结构破缺或者改变入射角度，可将BIC条件轻微偏离，使其转化为准BIC [15]。此类模式在保持高品质因子和强局域场增强特性的同时，又能够与外界光场有效耦合，适用于红外器件设计[10-16]。目前，对于采用BIC设计的红外器件，发挥核心作用的通常是准BIC共振。
因此，本文围绕准BIC驱动的红外器件展开综述。首先介绍准BIC的基本原理和典型实现方式；随后分别综述其在红外吸收增强、红外传感、红外发射与热辐射调控以及红外主动调制等方面的研究进展，并进一步讨论其在与红外相关的激光技术、上转换成像、红外光与物质强耦合以及偏振与手性信息处理等方向中的拓展应用；最后，对准BIC驱动的红外器件当前面临的主要挑战、潜在发展机遇和未来研究方向进行总结与展望。
1 准BIC原理及实现方式
BIC是位于辐射连续域内却具有理论无穷大品质因子的特殊本征态，其无辐射特性通常源于模式与辐射通道之间的对称性失配、多个辐射路径之间的完全相消干涉，或特定参数条件下辐射耦合的偶然关闭等机制[7-9]。实际器件中，BIC向准BIC的转化存在两种典型路径：其一，制造缺陷、材料本征吸收以及有限尺寸效应等引入的不可消除损耗，使得BIC不可避免地偏离理想条件，与连续辐射域产生弱耦合，退化为准BIC [12-14]；其二，工程应用中有意引入可控的对称破缺或参数调谐，主动将完美BIC转化为可由自由空间光场激发的准BIC，从而在保持强场局域和窄线宽特征的同时实现有效光耦合[10-11]。
根据形成机理的不同，BIC可概括为对称保护型BIC和偶然型BIC两大类[7,13,19]。其中，对称保护型BIC源于本征模与外部辐射通道之间的对称性失配，当体系保持相应保护对称时，模式无法向自由空间辐射；偶然型BIC则泛指所有并非由严格对称选择定则直接强制产生，而是在特定参数点或特定波矢条件下出现的零辐射态，可进一步细分为弗里德里希-温特根BIC、法布里-珀罗BIC和单共振BIC。弗里德里希-温特根BIC的本质是两个或多个泄漏共振态向同一辐射通道的远场辐射发生完全相消干涉；法布里-珀罗BIC可视为弗里德里希-温特根BIC的一种特例，即当两个完全相同的谐振单元(如两块平行排列的光子晶体板)通过特定间距构成一个等效法布里-珀罗腔时，在满足往返相位差为2π整数倍的条件下，腔内模式因多光束干涉而被完美束缚，形成法布里-珀罗BIC。单共振BIC则对应单个泄漏共振在特定参数点或特定波矢条件下辐射耦合偶然关闭的情形。近期理论指出，其本质仍可归因于弗里德里希-温特根机制，即源于导模共振与低品质因子法布里-珀罗模式之间的耦合和干涉，后者由于品质因子低而经常被视作背景信号[17]。
从工程实现角度来看，准BIC的形成本质上是通过可控微扰打开原本严格为零的辐射耦合，常见的手段包括旋转、位移、椭圆化、调节结构尺寸和改变入射角度等[10,18]。对于对称保护型BIC，引入能够打破原有对称保护的微扰，从而允许模式与辐射通道之间耦合，使理想BIC演化为可由自由空间激发的准BIC [19]。对于弗里德里希-温特根BIC和法布里-珀罗BIC，通过引入微扰使得原本满足完全相消的模间干涉条件发生偏离，从而表现出有限辐射泄漏[20-22]。对于单共振BIC，通过引入微扰使得系统参数偏离零辐射所对应的精确参数点或精确波矢点，以破坏理想零点条件，进而形成准BIC响应。
除此之外，基于布里渊区折叠的能带工程也是实现准BIC的重要策略[23-25]。首先，通过超周期调制将布里渊区边界的暗态折叠至新的Γ点，折叠后模式是否表现为严格BIC，取决于其与辐射通道之间的对称匹配关系；若进一步施加可控结构微扰或利用不可避免的制造损耗，则可使该理想BIC转化为具有有限辐射泄漏的准BIC，在保持高品质因子的同时实现与自由空间的有效耦合[26]。
总体而言，BIC为开放光学体系中高品质因子模式的形成提供了统一的理论框架，而准BIC则为其在红外器件中的实际应用提供了可行形式。从物理本质上看，准BIC既保留了理想BIC强场局域和窄线宽的核心优势，又通过有限辐射泄漏实现了与外界光场的有效耦合；从实现路径上看，结构破缺构成了当前准BIC红外器件的主要设计思路，并已在红外探测、传感、热辐射和红外调制等方面得到了广泛应用[16]。
2 准BIC增强的红外吸收
传统红外探测和吸收型器件在结构设计中通常面临光场约束能力不足、有效吸收长度有限以及谱线选择性不强等问题[27-29]。在中远红外波段，由于材料损耗显著且有源层厚度受限，器件往往难以在保持小型化的同时实现高探测性能[29]。常规等离激元结构虽然能够在一定程度上增强局域场，但其欧姆损耗较大、共振谱线宽度较宽，限制了器件在窄带探测中的应用[30]。准BIC具有局域场增强和高品质因子共振等特性，可显著提升入射红外光与材料之间的相互作用。通过临界耦合机制，准BIC能够对特定波段实现近完美吸收，提高了器件的能量吸收效率；另一方面，其窄线宽和高波矢选择性也有利于降低带外噪声，从而提升红外探测器的探测性能。
在红外探测领域，引入准BIC的核心目标在于通过高品质因子共振与临界耦合，实现对特定波段的高效能量收集与背景噪声抑制。近年来，研究人员围绕等离激元结构、光子晶体以及量子阱探测器等体系，开展了多种基于准BIC的红外探测器设计。2021年，Wang W等[31]提出了一种二氧化钛包覆的银光栅结构。他们将准BIC与等离激元热电子效应相结合，实现了对近红外光的探测，如图1(a)所示。利用二氧化钛完全包裹光栅，形成连续的肖特基势垒界面，使热电子注入概率最大化。通过倾斜入射破坏对称性，将对称保护型BIC转化为准BIC。此时辐射品质因子下降，与非辐射品质因子匹配实现临界耦合，从而达到完美吸收。仿真计算表明，该结构在入射角θ为8°时，对于943 nm处的TM1模实现完美吸收，最大响应度为9.12 mA/W，优于传统探测器。进一步改变光栅间隙，并改变光栅单元中的两脊宽度以破坏面内对称性，同时激发了准BIC和导模共振，在800~1000 nm范围内形成了3个共振峰且均实现近完美吸收。
针对长波红外探测中背景热辐射噪声严重限制探测器灵敏度的问题，Zhu T等[32]在2024年设计了一种二聚化光栅集成GaAs/AlGaAs的量子阱红外光电探测器(Quantum Well Infrared Photodetector, QWIP)，如图1(b)所示。通过引入相邻光栅指的宽度差异，使光子能带发生折叠，在Γ点产生具有高辐射品质因子的准BIC模式。降低量子阱的掺杂浓度来获得高吸收品质因子，通过调整不对称参数使得两者相等以满足临界耦合条件。仿真结果表明，该器件在10.6 m 处获得了超过12000的品质因子与81.6%的量子阱峰值吸收率；2π视场下的背景限探测率达到4.55×1012 cm·Hz1/2·W-1，是理想光电导探测器理论极限的92倍。2025年，Cui T等[33]提出了一种准BIC-QWIP结构，如图1(c)所示。该器件由刻蚀在GaAs接触层上的受扰动椭圆柱对光子晶体板，与量子阱探测材料集成而成，同时在底部设有金反射镜以形成单端口系统。此研究通过调节椭圆柱扰动程度，将辐射品质因子调控至与吸收品质因子相匹配的水平，以使器件工作在临界耦合状态。最终的仿真结果表明，在0.12π的视场角下，该器件在10.55 m处的长波红外波段获得了品质因子为1150的超窄光响应，峰值量子效率超过60%；器件的背景限探测率达到1.21×1012 cm·Hz1/2·W-1，是传统理想光电导探测器的11.85倍。
除了直接用于提升红外光电探测性能，准BIC在红外吸收增强领域也展现出了相应优势。在基于二维材料的吸收增强研究中，单层石墨烯因其本征吸收率仅为2.3%左右，长期面临光-物质相互作用不足的问题。2015年，Zhang M等[34]设计了一种“球体-石墨烯-平板”复合结构，如图1(d)所示；利用BIC将电磁波局域在石墨烯界面，对15 m 处的长波红外波段吸收率达到近60%，品质因子为2156.3，初步证明了BIC机制在超薄吸收层增强中的潜力。2020年，Zhong H等[35]提出了一种由介电光栅与分布式布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector, DBR)辅助的连续无图案单层石墨烯吸收结构，通过调节石墨烯与DBR之间介电薄膜的厚度来诱导BIC的形成，如图1(e)所示。结果表明，该研究利用DBR的导模共振(Guided-Mode Resonance, GMR)与BIC机制，在1345.5 nm的近红外波段实现96.6%的近完美光吸收，品质因子最高达到105。2021年，Lee S等[36]提出一种基于准BIC的石墨烯完美吸收器。以硅基平板波导光栅为载体，通过改变入射角形成泄露率可调的准BIC，并利用GMR形成镜面反射，实现了近红外波段的完美吸收，如图1(f)所示。2024年，Wang X等[37]将BIC与临界耦合相结合，针对二维材料光吸收调控手段单一、带宽调节范围有限的问题，设计了一种偏心孔硅纳米盘超表面以激发准BIC(见图1(g))，实现了对近红外波段石墨烯光吸收强度与带宽的精准调控(吸收带宽在0.9~94 nm范围内可调)。上述工作表明，准BIC机制能够显著突破单层石墨烯超薄吸收层的耦合限制，并为后续红外探测前端、全光开关与窄带调制器件提供重要结构基础。
此外，全电介质超表面结构也在近红外至中红外波段实现了近完美吸收。2025年，Huang Z等[38]设计了一种由Si纳米棒对和二氧化硅/五氧化二钽多层膜构成的硅基超表面，通过打破硅纳米棒的对称性将理想BIC转化为准BIC，如图1(h)所示。仿真结果表明，基于准BIC共振，该结构在943.68 nm处实现了98.05%的吸收率，品质因子达到了2842。同年，Liang Y等[39]提出了基于Si-SiO2-Au的中红外准BIC完美吸收器，采用椭圆二聚体阵列、间隔层和金属反射镜的三层结构，在4 m附近的中红外波段实现了窄带近完美吸收，品质因子达到了1492，如图 1(i)所示。
综上所述，准BIC为红外探测和吸收器件提供了兼顾高品质因子、高吸收和片上集成的平台技术。未来该方向可进一步结合二维材料、相变材料以及片上探测阵列，推动从单个器件验证走向焦平面集成、入射角度鲁棒和宽温区工作的工程应用。
3 准BIC增强的红外传感
传统红外传感技术普遍存在谐振线宽较宽、灵敏度有限以及对微弱信号放大不足等问题[40]。在中红外生化检测与气体识别场景中，常规金属等离激元器件还受到欧姆损耗较大和场分布不利于表面分析物耦合等限制[41-42]。准BIC利用高品质因子和窄线宽共振的特性，可以显著提高共振峰位对折射率变化和分子振动失谐等待测物理量的响应灵敏度[43-44]；另一方面，其局域电场增强特性能够强化光与分子振动模之间的相互作用，从而提升弱吸收特征与痕量组分信号的可检测性，并且在特定结构设计下能增强手性振动响应[45-47]。此外，基于低损耗全电介质材料的准BIC结构兼顾高品质因子、低本征损耗以及良好的互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS)工艺兼容潜力，适用于片上传感、微流控检测和集成红外光谱系统[48]。
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准BIC增强的红外吸收：(a)支持准BIC完美吸收的等离激元结构示意图(左)和Ag/TiO2界面处热电子产生与注入机制示意图(右)[31]；(b)二聚化光栅集成QWIP示意图[32]；(c)准BIC-QWIP结构示意图[33]；(d) “球体-石墨烯-平板” 复合结构示意图(左)和单个原胞内电场绝对值的分布图(右) [34]；(e)石墨烯完美吸收器示意图[35]；(f)由置于平板波导光栅上的单层石墨烯构成的完美吸收器示意图[36]；(g)由硅纳米盘超表面顶部的石墨烯组成的临界耦合系统示意图 [37]；(h)全电介质超表面(左)和不同数量SiO2/Ta2O5薄膜层的超表面反射系数(右) [38]；(i)由硅椭圆二聚体阵列构成的准BIC超材料吸收器[39]
针对折射率检测方面，Hsiao H H等[43]在2022年提出了一种基于准BIC的全电介质超表面的超高灵敏度折射率传感方案。研究团队设计了一种玻璃衬底上的非晶硅倾斜纳米棒对超表面，通过面内几何对称性破缺激发出准BIC模式，如图2(a)所示。分别在器件顶部覆盖旋涂玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate, PMMA)和ZEP520A电子束光刻胶(折射率在1.4~1.545之间)三种介质，测得准BIC相应共振峰在1350~1500 nm范围内变化，折射率灵敏度达到607.57 nm/RIU，与模拟值612 nm/RIU具有良好的一致性。2025年，Lv J等[49]设计并制备了一种基于Ge的全电介质超表面。采用双椭圆柱作为基本单元，通过旋转椭圆柱打破面内对称，将BIC转化为准BIC，如图2(b)所示。数值模拟结果表明，在共振峰2.89 m处，品质因子达到3706.79，半峰全宽为0.78 nm。研究人员进一步对结构进行线性缩放，仿真验证了共振峰可在1~4 m 波段内实现线性调谐，并得到了最高1037.1 nm/RIU的折射率灵敏度。分析制备的不同缩放尺寸器件的实测品质因子，发现误差源于锗材料在中红外波段的固有吸收、加工误差和测量噪声等。这些工作为开发高分辨率、小型化、低成本和易集成的宽带红外传感器奠定了坚实基础，在生物医学、环境科学和工业检测等领域具有应用潜力。
此外，准BIC还为实现中红外光与分子振动从弱耦合向强耦合的转变提供了有利平台。其高品质因子与强局域光场能够增强光与分子的相互作用并延长作用时间，从而使耦合强度超过系统损耗，进入强耦合区间。在此条件下产生可分辨的极化激元拉比劈裂，其峰间距可作为特征信号用于痕量分子吸收的高灵敏检测。2024年，Adi W等[50]设计并制备了一种无基底自支撑的硅膜超表面，通过布里渊区折叠技术诱导准BIC共振(实验测得品质因子最高约为722)，如图2(c)所示。仿真结果显示，该器件在6 m 附近实现了1400 nm/RIU(TE模式)和1500 nm/RIU(TM模式)的折射率灵敏度。在此基础上，研究团队进一步探索了分子键的振动跃迁与准BIC共振之间的耦合作用。在超表面上旋涂不同厚度的PMMA，并以PMMA的C=O振动模(特征峰约为1730 cm-1)为检测对象，通过调节准BIC共振峰与分子振动特征峰之间的失谐量，实现了振动强耦合并观测到清晰的极化激元拉比劈裂，证实了该平台在极化激元化学领域的应用潜力。
Biswas S K等[51]采用Ge材料制成的锯齿形椭圆棒超表面结构，通过引入不对称性破坏面内反演对称性，将理想的BIC转化为可激发的准BIC模式。研究团队利用耦合谐振子模型描述分子-腔体系统的动力学，系统研究了中红外波段准BIC超表面与分子振动相互作用的参数空间。他们从定量角度分析了腔体损耗(κ)、分子振动阻尼(γ)、跃迁偶极矩和分子数量等因素对耦合强度g的影响。该研究明确了实现强耦合的判据为g>(κ+γ)/2，并指出高品质因子腔体在降低分子数量阈值方面的优势，为基于拉比劈裂的高灵敏分子光谱识别提供了明确的物理依据，并为极化激元化学及分子尺度光调控奠定了基础。
在光谱检测方面，目前已有研究提出两类技术路径：一类是在目标波段内构造准BIC共振，并通过像素化设计将光谱信息映射到空间维度，从而实现空间编码式分子识别；另一类则进一步结合单波长成像与算法重构，在无需传统光谱仪扫描读出的条件下获取共振谱频移信息，推动器件向小型化、阵列化和实时检测方向发展。2018年，Tittl A等[52]利用氢化非晶硅谐振器，通过晶胞内椭圆柱对的不对称倾斜获得了品质因子大于200的中红外窄线宽共振，如图2(d)所示。后续研究揭示，这种高品质因子共振源于对称保护型BIC向连续谱的泄漏，即准BIC机制[53]。研究人员构建了10×10像素阵列，阵列中的每个像素由不同线性缩放尺寸的晶胞组成，使得准BIC共振峰覆盖1350~1750 cm-1的分子指纹波段；利用成像系统读取整个超表面的反射率，将分子的吸收特征转化为空间图像信息，实现空间编码。最终实验实现了对蛋白质、聚合物以及草甘膦等分子的无标记识别与混合物成分分析。
2021年，Jahani Y等[54]提出了一种基于双原子介电超表面的单波长成像型生物传感平台。其晶胞由α-Si的圆柱和椭圆柱对组成，通过打破面内反演对称性，将理想BIC转化为具有强近场增强的准BIC共振，如图2(e)所示。该平台的传感机制基于折射率变化，当待测物与传感器表面的捕获分子发生特异性结合时，会引起局部折射率升高，从而导致共振峰发生红移；通过结合最优线性估计算法，从探测到的单波长强度变化中重构共振谱位移。实验将所制备的超表面微阵列与微流控芯片集成(3×4阵列)，在大于7 mm2的视场范围内实现并行读出。实验结果表明，器件在水溶液环境中工作于600~850 nm的可见光-近红外波段，测得最小线宽约为2.3 nm，最高品质因子达到250；折射率灵敏度为305 nm/RIU。该系统可对乳腺癌相关细胞外囊泡(Extracellular Vesicle, EV)进行无标记、实时检测，其检测限达到8×107 EV/mL(约133 fmol)，实测浓度最低为1.23×108 EV/mL(约204 fmol)。
目前，针对准BIC红外传感的研究正逐步从单一参量检测向多参量与集成化检测的方向发展。2025年，Wei Y等[55]提出了一种由非手性Ge二聚体纳米谐振器构成的集成传感介电超表面。在同一结构中兼容表面增强红外吸收(Surface-Enhanced Infrared Absorption, SEIRA)与表面增强振动圆二色性(Surface-Enhanced Vibrational Circular Dichroism, SEVCD)传感，为同步实现分子指纹提取、浓度检测与手性识别提供了可能，如图2(f)所示。该结构通过打破晶格平移对称性来诱导准BIC共振，并利用偏振维度实现功能切换：在TE偏振激发下，电场与磁场增强分别达到82倍与50倍，显著放大分子振动吸收信号；当激发切换为离轴线性偏振时，通过调节单元周期纵横比来实现电偶极子与磁偶极子在光谱和空间中的重叠，以此在谐振器外部形成超手性近场，体积平均光学手性场增强因子高达195，且手性符号可通过偏振取向(45°/135°)灵活反转，从而支持振动圆二色性(Vibrational Circular Dichroism, VCD)信号增强用于手性识别。此外，借助像素化阵列缩放策略，通过线性缩放单元几何因子使得共振峰覆盖4.8~6.8 m中红外波段。仿真结果表明，该超表面在沙利度胺分子检测中可提供高达570 mOD的吸光度信号，较标准红外反射吸收光谱提升了约9个数量级，且VCD信号增强超过160倍。
总体来看，准BIC正在推动红外传感由“增强型单点检测”向“高分辨率、多维度、系统集成”转变，未来发展方向将聚焦于如何将准BIC的高品质因子特性转化为复杂环境下稳定、可靠、高灵敏度的传感能力。
4 准BIC增强的红外发射与热辐射调控
传统红外热辐射器的发射谱带通常较宽，往往需要结合外置滤光片或结构优化以实现窄带输出，从而在一定程度上增加了系统复杂度并降低了能量利用效率[56]。采用金属-绝缘体-金属(Metal-Insulator-Metal, MIM)结构的热辐射器虽易于实现窄带选择，但受欧姆损耗限制，其共振品质因子通常低于20，难以同时获得高发射率和窄线宽。部分高品质因子介电发射器虽然线宽较窄，却往往存在角色散显著、输出角度受限或温度漂移敏感等问题，不利于面向实际系统应用[57-59]。
准BIC机制利用其高品质因子窄带共振特性以及选择性辐射耦合特征，可显著增强目标波段的光子局域态密度，并可选择性地增强热激发能量向特定辐射通道的耦合。在热平衡条件下，根据基尔霍夫定律，结构在特定波长和角度处的吸收率等于其发射率[57]。因此，通过在目标波段构建准BIC共振，可在热激发下获得相应的窄带高发射输出。与传统“宽带热源+窄带滤光片”的设计思路相比，这一机制能够将光源、频谱选择与部分系统功能直接合并到单个微纳结构中。
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准BIC增强的红外传感：(a)介质超表面单元结构示意图(左)和透射光谱图(右) [43]；(b)基于准BIC的可调谐全介质超表面示意图[49]；(c)支持准BIC的悬挂式硅膜超表面实现振动强耦合的示意图[50]；(d)利用像素化介质超表面进行分子指纹检测[52]；(e)实时流式成像平台示意图[54]；(f)集成传感超表面在线偏振激光激发下检测分子振动指纹及手性的示意图[55]
2023年，Sun K等[59]首次通过实验验证了基于电介质超表面准BIC的中红外超窄带热发射器。该工作采用Au反射基底、Al2O3间隔层与Ge非对称椭圆柱阵列构成三层结构，通过轻微几何破缺将对称保护型BIC转化为可辐射的准BIC，从而在中红外波段实现窄线宽热发射，如图3(a)所示。实验结果表明，所制备的器件在6.66 m波长处实现了83 nm发射带宽(品质因子为81)的热发射，与仿真结果一致；同时器件在100~250 ℃范围内表现出良好的热稳定性。2024年，该团队[60]进一步验证了电介质准BIC窄带热辐射源在CO2传感中的应用潜力。通过将热辐射波长精准匹配CO2在4.23 m处的特征吸收峰，最终完成了40 ppm级浓度的CO2检测。该器件实现了热源/滤波一体化，显著降低了系统复杂度与光能损耗。
2023年，Li X等[61]提出了一种基于法布里-珀罗BIC的中红外热发射器。他们设计了Ge圆柱/Al2O3间隔层/Au反射基底的三层结构；利用Au基底形成谐振镜像，通过上层米氏谐振与镜像谐振的辐射相消干涉，形成理想法布里-珀罗BIC；最后通过轻微偏离临界厚度实现准BIC模式的有效激发，如图3(b)所示。仿真结果表明，准BIC谐振中心波长为4.587 m，谐振发射率趋近于1，光谱半高宽小于5 nm。2025年，Liao Y L等[62]进一步融合对称保护型准BIC与法布里-珀罗准BIC双谐振机制，设计了一种由Ge光栅/氟化镱介质层/Al基底构成的超表面结构。通过利用辐射损耗与耗散损耗对角度响应的解耦特性，使得器件在特定角度下达到临界耦合，最终实现了高发射率、窄光谱、强定向的中红外热辐射输出，如图3(c)所示。实验测得所制备器件的峰值波长为7.028 m，品质因子为62.9，15°发射角下的峰值发射率为0.89；器件高效发射角度区间为6°~24°，区间外发射率低于0.4，且宽角度范围内无波长偏移现象。这些研究为后续定向热辐射和系统集成热光源设计提供了新的结构思路。
与此同时，研究人员也开始探索将准BIC机制引入等离激元热辐射平台。2024年，Yang S等[57]提出了一种基于镜像耦合等离激元准BIC超表面的中红外单峰窄带热发射器。如图3(d)所示，该设计采用经典的MIM结构：顶层基于锯齿状排列的Au椭圆谐振器，通过引入倾斜角打破对称性来激发准BIC；中间层采用三氟化镝；底层采用氧化镉作为反射镜，蓝宝石作为基底。通过调整几何结构，发射峰可在3~13 m 范围内调谐。实验结果表明，所制备的器件在300 ℃条件下实现了单峰窄带热发射，峰值波长约为2222 cm-1，峰值发射率为0.56，品质因子为42；通过在椭圆谐振器短轴方向对称引入空气狭缝，品质因子可进一步提升至53。实验结果明显优于常规MIM型热发射器，验证了此类镜面耦合等离激元准BIC热发射器在实际器件中的可行性。
近年来研究人员在实现窄带发射的基础上，进一步追求定向输出与宽角稳定性。传统高品质因子窄带热辐射体由于色散陡峭，发射波长随出射角变化而产生漂移(即 “彩虹效应”)，在宽角收集条件下容易导致光谱展宽与能量利用效率降低。2024年，Sun K等[63]提出了一种基于扭曲光子晶格平带设计的中红外热发射器，成功实现了超窄带且无彩虹效应的热辐射。通过周期倍增微扰使得能带折叠并与原始导模共振耦合，形成了低群速度的平带，消除了发射波长对角度的依赖；同时通过打破结构面内对称性以激发准BIC共振，为热辐射提供了高效的辐射通道，如图3(e)所示。实验验证所制备器件在±17.5°的宽角度范围内，于5.144 m中红外波段实现了线宽约为23 nm的窄带热辐射。该工作表明，通过在较大波矢范围内构建平坦色散并将其与高品质因子准BIC模态结合，可实现超窄带且输出角不敏感的中红外热发射。
综上所述，准BIC驱动的红外热辐射调控已从早期的高Q窄带发射，逐步发展到面向实际应用的温度稳定、定向输出、弱角色散和传感集成。未来该方向将继续提升热辐射源在高温条件下的频谱稳定性与材料可靠性；同时，可结合相变材料、电热调谐、可重构超表面等主动调控机制，发展兼具窄带、高发射率、角度可控和动态可调能力的多功能中红外热光源平台。
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准BIC增强的红外发射与热辐射调控：(a)基于准BIC的锯齿形阵列热发射器示意图(左)和不同偏振下的发射光谱(右) [59]；(b)基于法布里-珀罗BIC共振的热发射器(左)和发射光谱(右) [61]；(c)融合对称保护型准BIC与法布里-珀罗准BIC的热发射器示意图(左)以及不同角度下的发射光谱(右) [62]；(d)热发射器单元结构图(左)以及300 ℃下的x和y偏振发射光谱(右) [57]；(e)热发射器示意图(左)和不同温度下的发射光谱(右) [63]
5 准BIC驱动的红外调制
凭借高品质因子、强近场和窄线宽共振的特性，准BIC可将折射率、损耗或相位等微小扰动放大为显著的光学响应变化，从而为高对比度、低功耗和多自由度红外主动调制提供有效途径。准BIC驱动的红外主动调制器件正从高品质因子静态谐振增强，逐步走向动态可调、非易失调控和可编程波前操控。
2022年，Zhang Y等[64]设计了硅二聚体纳米棒超表面，通过旋转其中一根纳米棒打破对称性以激发准BIC，集成约10 nm厚的二氧化钒(VO2)薄膜来构建Si-VO2混合超表面，从而实现温度驱动的动态调制，如图4(a)所示。仿真结果表明，在VO2由绝缘态向金属态转变的过程中，其复折射率发生显著变化，导致准BIC的共振峰展宽及峰值发生漂移，并在1243 nm处获得约180%的相对透射变化(按ΔT/T定义)。该工作表明，准BIC共振有助于放大相变材料带来的光学常数变化，从而实现较高的调制响应。
与VO2热致相变不同，三硫化二锑(Sb2S3)的多级结晶态为非易失窄带调制提供了可能。2024年，Liu T等[65]将主动调制从振幅与光谱调控拓展至窄带波前操控，提出了一种基于Sb2S3相变材料与准BIC结构的动态窄带波前调控器件。该器件采用Sb2S3薄膜刻蚀二聚化矩形孔，并引入周期倍增的二聚化对称破缺，将对称保护型BIC转化为准BIC，如图4(b)所示。同时，通过旋转矩形孔的角度α改变几何相位，使圆偏振转换分量获得近似4α的相位调制。通过调节Sb2S3相变材料的结晶度，可在1380~1550 nm范围内调谐共振波长。仿真结果展示了利用该器件进行动态光束偏转、一维动态聚焦、二维动态聚焦、动态全息成像等四类典型波前调控案例，证明所提出的Sb2S3超表面平台能够实现对空间和光谱响应的多状态、可逆且非易失性的调控。
面向中红外高速调制需求，Brikh F U等[66]在2025年提出了一种基于几何破缺激发准BIC的中红外主动调制器件，如图4(c)所示。其结构为单晶硅悬空膜超表面，通过调节孔的椭圆度来调控准BIC的辐射损耗，并可在5~6 m 中红外波段实现品质因子的连续调谐。实验结果表明，所制备的器件在5.63 m处实现了品质因子为2505的准BIC共振，同时保持近50%的高振幅对比度。基于此高品质因子共振，他们分别实现了电热调制(5 V电压驱动下获得70%调制深度，并实现约11 nm的共振峰偏移与最高14.5 kHz的调制速率)和全光调制(最大50~80 nm共振峰偏移；基于载流子弛豫动力学，预估调制速率可达亚GHz量级)两种有源调制方案，覆盖了不同应用场景需求。该工作表明，基于准BIC的硅膜超表面能够在中红外波段实现高对比度与高调制速率兼顾的主动调制。
介电常数非对称准BIC(ε-qBIC)调控机制为红外调制器件提供了新的技术路径。2023年，Berté R等[67]提出并验证了这一概念。他们设计了一对几何尺寸相同的Si-TiO2的双纳米棒单元，通过介电常数差异打破面内对称性并激发准BIC共振，如图4(d)所示。实验测量结果显示出清晰的准BIC共振模式，与数值模拟结果高度吻合，并通过缩放单元尺寸，成功地在近红外波段内调谐了共振波长。这项工作表明，在保持几何结构对称的情况下，通过引入材料介电常数差异可作为一种有效的对称性破缺手段，从而激发准BIC共振。2024年，该研究团队进一步把“介电常数非对称”从单元内部材料差异，扩展至外部环境折射率非对称，从而将ε-qBIC拓展到主动可重构器件层面[68]，如图4(e)所示。此设计采用两个几何结构完全相同的TiO2纳米棒作为基本单元。其中一个纳米棒被PMMA包覆，另一个暴露于空气或其他可调介质中，从而在不改变几何结构的情况下引入环境介电常数非对称，并激发ε-qBIC。通过改变环境折射率差，可实现BIC与准BIC之间的切换。实验表明，在可见光-近红外边界附近观测到ε-qBIC响应，透射特征峰主要位于700~750 nm波段。进一步引入导电聚合物聚苯胺(Polyaniline, PANI)作为主动介质，通过电压调控其折射率，实现了电学可重构ε-qBIC。在-0.2 V到0.6 V之间可完成ε-qBIC共振的开关调制，开关上升/下降时间分别为12.2 ms和18 ms。该工作将介电常数非对称作为一个可编程的参数直接用于主动调制，为片上可重构光学器件、高灵敏动态传感、可调滤波器/激光器等领域提供了新的技术路径。
2025年，该研究团队将这一思路拓展至无图案薄膜，实现了全光瞬态诱导的ε-qBIC [69]，如图4(f)所示。此工作基于无图形、无面内结构特征的非晶硅均匀薄膜，利用两束约180 fs超短脉冲激光干涉，在薄膜上形成亮暗条纹，从而在薄膜中瞬态形成周期性的载流子分布和介电常数调制；这种调制方式同时引入了周期性条件和面内反演非对称，进而在无结构薄膜中激发出全光诱导的ε-qBIC。实验结果显示，ε-qBIC可在200 fs内快速形成，在0.1~0.3 ps窗口内实现最高达35%的差分透射率(ΔT/T)峰值调制，并测得共振峰在780 nm附近；随着泵浦条件变化，共振峰可从805 nm调谐至875 nm。此外，他们还利用全光ε-qBIC实现了近红外基频到近紫外三次谐波的光谱选择性增强；当基频位于1020~1040 nm时，三次谐波增强最高达到234%，衰减时间常数约为0.72 ps。
综上所述，准BIC驱动的红外主动调制研究已从基于相变材料的振幅与光谱调制，逐步扩展到窄带波前操控、介电常数非对称驱动的可重构准BIC，以及面向中红外应用的高品质因子高速调制平台。未来，该方向有望在品质因子、调制深度与响应速度之间进一步优化权衡，并发展更适用于红外波段的低损耗主动材料体系。同时，相关研究也将从单器件演示逐步走向阵列化与片上集成，实现对振幅、相位、偏振以及空间响应的多自由度协同调控，为可重构红外成像、光谱传感、自由空间通信和片上红外光子系统提供支撑。
6 新兴应用方向
随着准BIC在红外波段的研究从单一器件性能优化逐步转向系统集成与功能复用，其应用边界逐步在相干光源、上转换成像、强耦合和信息处理等方向展现出新兴交叉特征。
在激光方向，目前已有将准BIC腔作为低阈值、高方向性以及可阵列化的有源腔平台的相关研究。Kodigala A等[70]在2017年设计并制备了悬浮式InGaAsP多量子阱圆柱纳米谐振器阵列，首次实现了室温下基于BIC的激光器，如图5(a)所示。该器件的工作波长约为1.55 m，线宽为0.33 nm，阈值功率低至56 W。此工作证明，在仅由8×8个纳米柱构成的阵列中仍可稳定产生激光。2021年，Hwang M S等[71]通过实验验证了基于超BIC(对称保护型BIC与偶然型BIC合并形成的超高品质因子模式)的纳米激光器，如图5(b)所示。该器件采用含7个量子阱的InGaAsP光子晶体平板结构(厚度为650 nm)，通过调控晶格常数实现两类BIC的合并。结果表明，超BIC模式的出射波长约为1.56~1.58 m，阈值功率密度低至1.47 kW/cm2，测得的品质因子为7300，远场发散角从合并前的4.9°降至3.7°。该工作首次解决了传统BIC激光器受限于有限尺寸下品质因子骤降的瓶颈。
2023年，Zhong H等[72]将InAs/GaAs外延量子点增益材料与微型化BIC腔(mini-BIC)相结合，通过mini-BIC的三维光场限制以及量子点的三维载流子限制机制，实现了O波段室温单模连续激光输出，如图5(c)所示。所制备的最小单模激射器件的尺寸仅有5×5单元(约2.5 m×2.5 m)，阈值为17 W。2022年，Huang Z T等[73]基于FW-BIC的反交叉耦合机制，采用GaAs基InGaAs多量子阱外延材料，制备出一维悬浮式高对比度光栅结构，实现了偏Γ点的宽范围可调谐定向激光输出，如图5(d)所示。在室温、光泵浦条件下，实验测得激光输出峰位于941 nm波长处，并在34° 方向上观测到显著激光峰，阈值约为37.6 W，偏振度约为82.8%。通过制备不同光栅结构填充因子的器件，实验成功展示了发射角度分别为0°、26°、30°、34°、36°和40°的激光输出，证实了该设计在实现大范围、多角度光束偏转方面的能力。可以看出，准BIC激光研究已实现兼顾微型化、高方向性以及宽角度可调的激光输出，显示出其在片上激光器和激光雷达等领域的应用潜力。
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准BIC驱动的红外调制：(a)单元结构示意图(左)和VO2相变前后的透射率调制(右) [64]；(b)相变非局域超表面在不同波长下实现动态波前操控[65]；(c)中红外超表面调制器[66]；(d)几何非对称与介电常数非对称超表面晶胞之间的等价性示意图[67]；(e)将几何诱导和介电常数诱导的对称性破缺的非对称BIC超表面嵌入不同环境(底部)的示意图[68]；(f)通过两束约180 fs脉冲在薄膜上干涉实现对称性破缺的示意图[69]
在红外上转换成像方向，已有工作开始将准BIC共振增强的三阶非线性过程用于红外到可见光的直接频率转换。2024年，Sanderson G等[74]设计了一种支持双准BIC的由单个硅纳米盘构成的谐振器，通过将泵浦光与信号光分别耦合至不同高品质因子模式，从而增强四波混频(Four-Wave Mixing, FWM)过程，并结合点扫描方案实现红外上转换成像，如图5(e)所示。结果表明，该器件在约920 nm泵浦和1500 nm信号光输入条件下可实现可见光波段的FWM输出；在1 mW信号功率下，FWM图像仍可清晰重建，所得重建图像的分辨率约为10 m。
此外，在偏振与手性信息处理方向，准 BIC器件的功能正由单一光谱响应增强逐步拓展至多自由度信息调控。通过对称性破缺远场交叉偏振态调控，超表面可承担信息加密编码的功能。例如，Wu S等[75]基于准BIC超表面实现了线偏振到线偏振的交叉偏振转换，并在偏振加密红外二维码、丁烷气体吸收谱重建与实时监测等应用场景中进行了验证，为偏振复用与透射谱滤波器件提供了新的设计路径，如图5(f)所示。同时，前文所述Wei Y等[55]的工作展示了在同一介质超表面平台上兼容SEIRA与SEVCD传感两种机制，表明准BIC红外器件不仅能够实现分子浓度检测，还可进一步扩展至手性信息读出。这些研究表明，准BIC驱动的红外器件正由单一波长维度的选择性响应，向偏振及手性等多自由度信息复用方向发展。
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新型应用方向：(a)悬浮式InGaAsP多量子阱圆柱形纳米谐振器阵列(左)以及输出功率随平均泵浦功率的变化(右) [70]；(b)超BIC激光器中BIC的合并[71]；(c)微型BIC腔和原子力显微镜图像(左)、激光发射强度和线宽随泵浦功率的变化关系(右) [72]；(d）一维悬浮式高对比度光栅结构[73]；(e)硅谐振器中四波混频过程示意图(左)和点扫描系统实验测量并重建的非线性图像(右) [74]；(f)线性偏振转换超表面示意图[75]
可以看出，准BIC驱动的红外器件研究最终将突破传统红外光谱、探测和热辐射的边界，进一步延伸到相干光源、红外成像等交叉领域。
7 总结与展望
综上所述，准BIC凭借高品质因子、强局域场增强、窄线宽响应等特性，为红外器件性能提升提供了新的途径。现有研究表明，通过对称性破缺、能带折叠、模间干涉调控和介电常数非对称等策略，可有效实现准BIC模式的激发与调控，并在红外吸收增强、窄带探测、高灵敏传感、热辐射调控、主动调制，以及激光、上转换成像和偏振/手性信息处理等方向展现出广阔的应用前景。准BIC驱动的红外器件正由单一性能增强逐步迈向多功能集成、动态可重构和系统级应用阶段。
然而，准BIC驱动的红外器件走向实际应用仍面临若干关键挑战。首先，品质因子、外部耦合效率、工作带宽以及角度容差之间相互制约。其次，准BIC通常依赖微弱对称性破缺或精细几何扰动，其共振特性对制造误差、有限尺寸效应和阵列非一致性较为敏感，器件可获得的品质因子往往首先受到工艺缺陷和样品尺寸的限制[76]。再次，中远红外工作条件对材料透明窗口、本征损耗、热稳定性与工艺兼容性提出了比可见光-近红外平台更严格的要求。
因此，未来该方向的进一步发展应关注面向具体应用建立兼顾谱线选择性、耦合强度和系统容差的优化设计准则。同时，布里渊区折叠和介电环境工程等技术路径有望提升准BIC对结构扰动和入射条件变化的鲁棒性；通过与有源材料、强耦合机制以及计算优化方法相结合，进一步拓展其在可调谐与多功能集成应用中的潜力。总之，随着材料平台、纳米加工和多物理场协同设计方法的持续进步，准BIC将在高性能红外光子器件中发挥越来越重要的作用。