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31
2025
-
07
可重复使用的高Q等离激元超表面
作者：
表面等离激元（Surface Plasmons, SPs）因其突破衍射极限的电磁场局域特性，能够将光场能量束缚在深亚波长尺度，已成为增强光与物质相互作用的重要平台。然而，等离激元体系面临的多种损耗机制严重制约其性能提升，一方面，金属材料的固有损耗导致电磁场能量不可逆耗散；另一方面，纳米制备过程中表面粗糙度、晶界散射等缺陷引起的损耗，进一步加剧了模式衰减。上述损耗机制的不可控性，让研究者们不得不去思考如何从降低辐射损耗的角度去提高等离激元模式的Q因子。
BICs和SLRs是降低等离激元模式辐射损耗常用的方式，分别通过动量空间的拓扑保护和与衍射通道的耦合来实现辐射通道的精准调控。同时，在金属-介质的杂化体系中，光子模式的引入能够使上述两种模式的近场能量再分配，从而进一步降低体系的固有损耗。
如图1（a）结构示意图所示，该杂化结构由金纳米棒二维阵列和聚乙烯醇（PVA）薄膜构成，阵列尺寸为200 μm×200 μm，得益于PVA水溶性和易重构的特点，在同一个结构上可以多次清除再旋涂不同厚度的PVA薄膜，从而展开PVA厚度对等离激元模式Q值影响的研究。结果表明，在保持等离激元近场增强的同时，光子模式的引入可以显著提高BICs和SLRs的Q因子。
另外，该团队自建了红外角分辨透射系统，在频谱面采用光纤定点收光，测量其中一个样品的角分辨光谱如图1（b）所示。通过减小光纤的收光直径，可以提高频谱面的分辨率，测得的q-BIC的Q因子提高到260，如图1（c）所示。该团队指出，通过增大阵列尺寸并采用相干光源激发，Q因子有望进一步提升。然而，现有的阵列尺寸已接近像素尺寸，具备了在超构显示器、空间光调制器等相关领域的应用潜力。
最后，该团队对同一样品、同一测试条件下测得的BICs与SLRs的Q值进行了对比研究。结果表明，BICs的Q因子可达到SLRs的四倍，因此在获取高Q因子方面，BICs具有更大的优势；然而，SLR的Q因子对角度变化的敏感度较低。这些特征表明，这两类高Q模式各具优点，适用于不同的应用场景。
通讯作者石锦卫教授表示：“等离激元较低的Q值限制了基于其与物质相互作用相关的应用。SLR和BIC是提高等离激元BIC的有效方式，但是文献中有辐射的SLR的Q值比无辐射的BIC高很多，这是一个奇怪的现象。不过所报道的SLR和BIC往往是在不同的实验参数和条件下获得的，难以直接比较。此外，进行这类实验需要制作大量的样品，成本较高。通过可重复使用的覆盖层来改变样品的模式，是一种更经济的途径，并且具有实用价值。从应用前景来说，有限尺寸的样品、非相干照明更符合实际应用场景，此时BIC都将转变为准BIC，而空间频谱面的分辨率将会极大地影响实验测量结果。综合考虑这些因素后，我们发现BIC的Q值确实比SLR更高，不过SLR的Q值对角度变化更具有鲁棒性，因此应针对不同的应用需求选择不同的模式，进一步增强光与物质相互作用的效果。”
团队后续将利用该复合表面支持多个高Q共振模式的能力，在光与物质相互作用领域，例如增强二次、三次谐波发射、片上光学参量振荡器和参量转换，角度敏感的光致发光和激光、空间滤波器等方向继续开展应用研究。
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