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表面等離激元諧振可以打破傳統(tǒng)介質(zhì)光學(xué)中的衍射極限，在貴金屬表面的納米尺度內(nèi)局域和操控光場(chǎng)，極大地增強(qiáng)了光與物質(zhì)的相互作用，因此已被廣泛應(yīng)用于生物傳感、超分辨成像、表面增強(qiáng)拉曼散射以及集成光學(xué)等領(lǐng)域。然而，目前該領(lǐng)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(tài)”的。也就是說，它們的功能在結(jié)構(gòu)制備過程中就已經(jīng)被固定下來了，這使得這些表面等離激元器件在實(shí)際應(yīng)用中受到諸多限制。因此，如何將“靜態(tài)”的表面等離激元器件變得“動(dòng)態(tài)可調(diào)”，成為該領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。

目前，國(guó)際上表面等離激元?jiǎng)討B(tài)調(diào)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(gòu)。前者受限于相變材料的工作波段和響應(yīng)時(shí)間，很難在可見光區(qū)實(shí)現(xiàn)完全、快速的光學(xué)調(diào)制；而后者往往基于金屬納米間隙體系，需要非常復(fù)雜的微納制備工藝和調(diào)控手段，極大地限制了這些技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。因此，在可見光區(qū)實(shí)現(xiàn)一個(gè)高反差、快速、便捷的表面等離激元調(diào)控仍然是一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)。

近期，金崇君教授、沈楊副教授研究團(tuán)隊(duì)基于連續(xù)體中的束縛態(tài)(Bound state in the continuum，BIC) 的概念，設(shè)計(jì)了一種基于金屬-水凝膠-金屬 (Metal-Hydrogen-Metal, MHM) 三明治結(jié)構(gòu)的光學(xué)調(diào)制器。該調(diào)制器通過環(huán)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(jí)間隙（即中間層PVA的厚度），進(jìn)而調(diào)控上下金層之間的縱向耦合行為，最終實(shí)現(xiàn)了可見光區(qū)等離激元模式的完全切換。相關(guān)實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果揭示了如此高的調(diào)制深度得益于MHM結(jié)構(gòu)中濕度誘導(dǎo)的BIC-準(zhǔn)BIC轉(zhuǎn)化。如圖1所示，當(dāng)樣品處于較低的環(huán)境濕度（< 60 %RH）時(shí)，MHM中的磁模式和SPP模式的輻射通道干涉相消，整個(gè)體系展現(xiàn)出一個(gè)完全的暗模式，即一條平坦而微弱的吸收譜線（BIC態(tài)）；而當(dāng)濕度升高時(shí)（> 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(tài)在極短時(shí)間內(nèi)（~0.3秒）便塌縮成一個(gè)尖銳的Fano共振峰（準(zhǔn)BIC態(tài)），從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制深度高達(dá)-14.6 dB的光學(xué)開關(guān)調(diào)制。

圖1 金屬-水凝膠-金屬（MHM）結(jié)構(gòu)以及濕度驅(qū)動(dòng)的BIC-準(zhǔn)BIC轉(zhuǎn)化。

基于超高的光學(xué)反差、亞秒級(jí)的響應(yīng)時(shí)間以及不受電磁干擾的優(yōu)勢(shì)，MHM結(jié)構(gòu)被進(jìn)一步應(yīng)用到人體呼吸頻率監(jiān)控上。如圖2所示，根據(jù)所記錄的呼吸脈沖信號(hào)的強(qiáng)度和間隔，可以輕松識(shí)別出不同的呼吸模式。同時(shí)，可檢測(cè)的最大呼吸頻率達(dá)到30次/分鐘 (breaths per minute，bpm)。這說明基于MHM結(jié)構(gòu)的光學(xué)呼吸頻率傳感器有望作為一種代替方案，應(yīng)用于傳統(tǒng)的電學(xué)呼吸傳感器失效的場(chǎng)景，例如用于進(jìn)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(hào)

相關(guān)研究成果以“Moisture-driven switching of plasmonic bound states in the continuum in the visible region”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上（DOI:10.1002/adfm.202209368）。中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、材料科學(xué)與工程學(xué)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(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)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