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表面等離激元諧振可以打破傳統介質光學中的衍射極限，在貴金屬表面的納米尺度內局域和操控光場，極大地增強了光與物質的相互作用，因此已被廣泛應用于生物傳感、超分辨成像、表面增強拉曼散射以及集成光學等領域。然而，目前該領域面臨的一大問題就是絕大部分表面等離激元器件仍然是“靜態”的。也就是說，它們的功能在結構制備過程中就已經被固定下來了，這使得這些表面等離激元器件在實際應用中受到諸多限制。因此，如何將“靜態”的表面等離激元器件變得“動態可調”，成為該領域的一個研究熱點和發展趨勢。

目前，國際上表面等離激元動態調控主要有兩種思路：第一種思路是利用材料相變，第二種思路則是基于幾何重構。前者受限于相變材料的工作波段和響應時間，很難在可見光區實現完全、快速的光學調制；而后者往往基于金屬納米間隙體系，需要非常復雜的微納制備工藝和調控手段，極大地限制了這些技術在實際應用中的可行性。因此，在可見光區實現一個高反差、快速、便捷的表面等離激元調控仍然是一個艱巨的挑戰。

近期，金崇君教授、沈楊副教授研究團隊基于連續體中的束縛態(Bound state in the continuum，BIC) 的概念，設計了一種基于金屬-水凝膠-金屬 (Metal-Hydrogen-Metal, MHM) 三明治結構的光學調制器。該調制器通過環境濕度的改變來精確控制上層金光柵和下層金反射鏡之間的納米級間隙（即中間層PVA的厚度），進而調控上下金層之間的縱向耦合行為，最終實現了可見光區等離激元模式的完全切換。相關實驗和模擬結果揭示了如此高的調制深度得益于MHM結構中濕度誘導的BIC-準BIC轉化。如圖1所示，當樣品處于較低的環境濕度（< 60 %RH）時，MHM中的磁模式和SPP模式的輻射通道干涉相消，整個體系展現出一個完全的暗模式，即一條平坦而微弱的吸收譜線（BIC態）；而當濕度升高時（> 90% RH），PVA吸水溶脹厚度增加，破壞了磁模式和SPP模式的相干，其BIC態在極短時間內（~0.3秒）便塌縮成一個尖銳的Fano共振峰（準BIC態），從而實現調制深度高達-14.6 dB的光學開關調制。

圖1 金屬-水凝膠-金屬（MHM）結構以及濕度驅動的BIC-準BIC轉化。

基于超高的光學反差、亞秒級的響應時間以及不受電磁干擾的優勢，MHM結構被進一步應用到人體呼吸頻率監控上。如圖2所示，根據所記錄的呼吸脈沖信號的強度和間隔，可以輕松識別出不同的呼吸模式。同時，可檢測的最大呼吸頻率達到30次/分鐘 (breaths per minute，bpm)。這說明基于MHM結構的光學呼吸頻率傳感器有望作為一種代替方案，應用于傳統的電學呼吸傳感器失效的場景，例如用于進行核磁共振成像和放療的病人身上。

圖2 不同呼吸模式的光譜信號

相關研究成果以“Moisture-driven switching of plasmonic bound states in the continuum in the visible region”為題發表在Advanced Functional Materials上（DOI:10.1002/adfm.202209368）。中山大學光電材料與技術國家重點實驗室、材料科學與工程學院為論文唯一完成單位，在讀碩士鄭蔓淳為論文的第一作者，沈楊副教授為共同一作，金崇君教授、沈楊副教授、佘曉毅博士后為通訊作者。該研究工作受到國家自然科學基金等項目的資助。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202209368.

參考資料：https://mse.sysu.edu.cn/article/2379