1. 導(dǎo)讀

連續(xù)域束縛態(tài)（Bound states in the continuum，BIC）被認(rèn)為是一種異于波動理論傳統(tǒng)觀點(diǎn)的一種物理現(xiàn)象。雖然其頻率處于輻射連續(xù)域中，卻沒有與輻射波發(fā)生耦合，而是像導(dǎo)波模式一樣嚴(yán)格地束縛在波導(dǎo)內(nèi)。這種在不遵從全內(nèi)反射前提下沒有輻射損耗的奇異現(xiàn)象引起了科研工作者的關(guān)注，并在近幾年通過各種體系對BICs進(jìn)行了深入探索。

在光學(xué)體系中，由于理想BICs具有共振線寬無限窄，Q值無限大的特點(diǎn)，有望應(yīng)用于濾波器、激光器、以及傳感器的設(shè)計中，并能夠在很大程度上提高器件的性能。但是現(xiàn)實(shí)制備過程中，由于器件有限的尺寸以及缺陷的存在，理想BICs通常退化為準(zhǔn)BICs，在光譜上體現(xiàn)為Fano線型。因此，設(shè)計激發(fā)準(zhǔn)BIC模式的有源器件有著非常重要的意義和應(yīng)用前景。

基于以上理論背景，近日，杭州電子科技大學(xué)智能微傳感器與微系統(tǒng)教育部工程中心光學(xué)傳感研究小組在Nanophotonics上發(fā)表最新研究進(jìn)展，提出了一種雙光柵對稱結(jié)構(gòu)，并在該結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了多種BIC模式。研究者對其中法布里-珀羅（Fabry-Pérot）BIC進(jìn)行了機(jī)理分析以及設(shè)計，在準(zhǔn)BIC模式下通過引入羅丹明有機(jī)增益（R6G），對結(jié)構(gòu)內(nèi)在損耗進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)BIC模式的激發(fā)。此外，在準(zhǔn)BIC激光的基礎(chǔ)上，研究小組通過理論上改變環(huán)境折射率來模擬氣體環(huán)境的變化，進(jìn)而檢測器件的光譜響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)器件有著非常靈敏的傳感特性。由于準(zhǔn)BIC激光具有非常窄的光譜線寬，其傳感品質(zhì)因子高達(dá)4420RIU-1，在無源氣敏傳感的基礎(chǔ)上提高了一個量級。

該研究成果不僅為實(shí)現(xiàn)小尺度，低閾值激光器提供了明確的理論和設(shè)計參考，同時為有源器件在光與物質(zhì)相互作用以及光傳感領(lǐng)域的研究提供了新思路。

2. 研究背景

光學(xué)傳感相比于其他傳統(tǒng)傳感技術(shù)，具有抗電磁干擾性能強(qiáng)、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢。而表面等離子激元共振（SPR）傳感器通過表面等離極化激元（SPP）可以實(shí)現(xiàn)無接觸、實(shí)時免標(biāo)記檢測，為傳統(tǒng)光學(xué)傳感器設(shè)計提供了一種更為有效的技術(shù)手段。然而傳統(tǒng)的SPR傳感器具有較大的金屬歐姆損耗，造成共振帶寬較寬，進(jìn)而使得傳感靈敏度和品質(zhì)因子均不高。

為解決這一技術(shù)挑戰(zhàn)，科研工作者之前采用增強(qiáng)金屬表面電場的方式，如引入金屬納米顆粒來誘導(dǎo)其與金屬膜之間的強(qiáng)場耦合產(chǎn)生局域表面等離激元共振（LSPR）。但是進(jìn)一步提高LSPR傳感器的性能需設(shè)計高質(zhì)量的二維等離激元納米結(jié)構(gòu)，成本很高，且改善效果不理想。如何進(jìn)一步減小光學(xué)傳感器的尺寸，提高傳感性能，是該領(lǐng)域當(dāng)前面臨的重要科學(xué)問題。

3. 創(chuàng)新研究

針對以上問題，研究人員結(jié)合光學(xué)BICs的獨(dú)特性質(zhì)，提出了一種實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)BIC激光并將有源器件應(yīng)用于傳感的思路，大大提高了傳感器件的靈敏度和品質(zhì)因子。具體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。結(jié)構(gòu)上下層為對稱分布的Si3N4光柵，構(gòu)成HCG諧振腔。中間層為摻有有機(jī)R6G染料分子的單層SiO2。這樣，整體上構(gòu)成一種“三明治”結(jié)構(gòu)。

圖1 器件具體結(jié)構(gòu)示意圖

研究人員首先對未加入有機(jī)增益的耗散結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。在光柵寬度T = 230 nm，占空比F = 0.5，周期Λ = 530 nm的條件下，通過改變光柵厚度我們可以看到反射譜在特定的位置出現(xiàn)了不連續(xù)的現(xiàn)象（圖2a）。通過角譜分析，我們發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)中存在多種BIC：對稱保護(hù)型BIC，偶然型BIC以及法布里-珀羅型BIC。圖2a中“斷點(diǎn)”對應(yīng)圖2b中Γ點(diǎn)處模式2。此外，結(jié)合（x, z）平面電場分布，可以發(fā)現(xiàn)大部分能量束縛在由光柵組成的諧振腔內(nèi)，進(jìn)而可以判斷模式2為FP-BIC。對于其機(jī)理可以理解為耦合到單個輻射通道的模式在沒有其他損耗的情況下，由于直接傳輸和共振輻射會相互相干相消，進(jìn)而在諧振頻率附近產(chǎn)生反射。兩個同樣的結(jié)構(gòu)就可以組成一對高反射鏡，進(jìn)而形成一個法布里-珀羅型微腔。通過調(diào)整高反鏡之間的距離可以使反射波往返的相移為2π的整數(shù)倍，這樣就可以促使法布里-珀羅型BIC 模式的形成。

圖2 耗散結(jié)構(gòu)表征結(jié)果

在模式2理想BIC的基礎(chǔ)上，通過改變SiO2厚度獲得準(zhǔn)BIC模式。并通過摻入有機(jī)增益補(bǔ)償結(jié)構(gòu)內(nèi)在損耗，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)BIC模式的激發(fā)，形成了BIC激光。圖3為激光激射表征結(jié)果。輸出能量在閾值之上突然和泵浦能量呈線性增長以及光譜線寬的急劇變窄都體現(xiàn)了激光的激射行為。

圖3 激光激射表征結(jié)果

4. 應(yīng)用與展望

通過改變器件所處的環(huán)境折射率，研究人員進(jìn)一步對器件的氣敏傳感特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明器件對環(huán)境的改變有著靈敏的響應(yīng)，當(dāng)環(huán)境折射率改變量僅為0.0005時，器件的響應(yīng)光譜峰位就有著很明顯的移動（圖4a），達(dá)到現(xiàn)實(shí)普通光譜儀的測量范圍。此外，光譜峰位的移動量和折射率改變量呈線性關(guān)系（圖4b），表明該有源器件對氣體環(huán)境有著良好的檢測功能。由于BIC激光具有非常窄的線寬，計算得到器件傳感靈敏度為221 nm/RIU，品質(zhì)因子高達(dá)4420 RIU-1。該指標(biāo)高出先前報道的無源傳感器品質(zhì)因子一個量級，充分說明該準(zhǔn)BIC激光器件在危險氣體檢測方面具有很強(qiáng)的實(shí)用價值。

圖4 傳感性能表征結(jié)果

該研究成果以“Quasi-BIC laser enabled by high-contrast grating resonator for gas detection”為題在線發(fā)表在Nanophotonics。

本文第一作者是電子信息學(xué)院2019級碩士研究生張浩然同學(xué)，電子信息學(xué)院王濤副教授、王高峰教授以及浙江大學(xué)陳紅勝教授為通訊作者。來自南洋理工大學(xué)的田靜逸博士，墨西哥蒙特雷科技大學(xué)的Israel De Leon教授、中科院寧波材料研究所的Remo Proietti Zaccaria教授，浙江大學(xué)高飛、林曉教授以及工程中心彭亮教授、李紹限老師參與了本項(xiàng)工作。該項(xiàng)目得到了國家自然科學(xué)基金以及浙江省自然科學(xué)基金的支持。