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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，極大地增強了光與物質(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“動態(tài)可調(diào)”，成為該領(lǐng)域的一個研究熱點和發(fā)展趨勢。

目前，國際上表面等離激元動態(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)時間，很難在可見光區(qū)實現(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)在實際應(yīng)用中的可行性。因此，在可見光區(qū)實現(xiàn)一個高反差、快速、便捷的表面等離激元調(diào)控仍然是一個艱巨的挑戰(zhàn)。

近期，金崇君教授、沈楊副教授研究團(tuán)隊基于連續(xù)體中的束縛態(tài)(Bound state in the continuum，BIC) 的概念，設(shè)計了一種基于金屬-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，最終實現(xiàn)了可見光區(qū)等離激元模式的完全切換。相關(guān)實驗和模擬結(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，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(xiàn)出一個完全的暗模式，即一條平坦而微弱的吸收譜線（BIC態(tài)）；而當(dāng)濕度升高時（> 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)在極短時間內(nèi)（~0.3秒）便塌縮成一個尖銳的Fano共振峰（準(zhǔn)BIC態(tài)），從而實現(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)動的BIC-準(zhǔn)BIC轉(zhuǎn)化。

基于超高的光學(xué)反差、亞秒級的響應(yīng)時間以及不受電磁干擾的優(yōu)勢，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(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

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)國家重點實驗室、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。該研究工作受到國家自然科學(xué)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