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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(dòng)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(méi)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(méi)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(guò)各種體系對(duì)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(wú)限窄，Q值無(wú)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(jì)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(guò)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(jì)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(duì)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(duì)其中法布里-珀羅（Fabry-Pérot）BIC進(jìn)行了機(jī)理分析以及設(shè)計(jì)，在準(zhǔn)BIC模式下通過(guò)引入羅丹明有機(jī)增益（R6G），對(duì)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(guò)理論上改變環(huán)境折射率來(lái)模擬氣體環(huán)境的變化，進(jìn)而檢測(cè)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(wú)源氣敏傳感的基礎(chǔ)上提高了一個(gè)量級(jí)。

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(jì)參考，同時(shí)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(shì)。而表面等離子激元共振（SPR）傳感器通過(guò)表面等離極化激元（SPP）可以實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸、實(shí)時(shí)免標(biāo)記檢測(cè)，為傳統(tǒng)光學(xué)傳感器設(shè)計(jì)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(chǎng)的方式，如引入金屬納米顆粒來(lái)誘導(dǎo)其與金屬膜之間的強(qiáng)場(chǎng)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(jì)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(wèn)題。

3. 創(chuàng)新研究

針對(duì)以上問(wèn)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(jì)如圖1所示。結(jié)構(gòu)上下層為對(duì)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(duì)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(guò)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(guò)角譜分析，我們發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)中存在多種BIC：對(duì)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(duì)應(yīng)圖2b中Γ點(diǎn)處模式2。此外，結(jié)合（x, z）平面電場(chǎng)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(duì)于其機(jī)理可以理解為耦合到單個(gè)輻射通道的模式在沒(méi)有其他損耗的情況下，由于直接傳輸和共振輻射會(huì)相互相干相消，進(jìn)而在諧振頻率附近產(chǎn)生反射。兩個(gè)同樣的結(jié)構(gòu)就可以組成一對(duì)高反射鏡，進(jìn)而形成一個(gè)法布里-珀羅型微腔。通過(guò)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(guò)改變SiO2厚度獲得準(zhǔn)BIC模式。并通過(guò)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(zhǎng)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(guò)改變器件所處的環(huán)境折射率，研究人員進(jìn)一步對(duì)器件的氣敏傳感特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明器件對(duì)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?jī)H為0.0005時(shí)，器件的響應(yīng)光譜峰位就有著很明顯的移動(dòng)（圖4a），達(dá)到現(xiàn)實(shí)普通光譜儀的測(cè)量范圍。此外，光譜峰位的移動(dòng)量和折射率改變量呈線性關(guān)系（圖4b），表明該有源器件對(duì)氣體環(huán)境有著良好的檢測(cè)功能。由于BIC激光具有非常窄的線寬，計(jì)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(bào)道的無(wú)源傳感器品質(zhì)因子一個(gè)量級(jí)，充分說(shuō)明該準(zhǔn)BIC激光器件在危險(xiǎn)氣體檢測(cè)方面具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)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(jí)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(lái)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(guó)家自然科學(xué)基金以及浙江省自然科學(xué)基金的支持。