表面等离激元谐振可以打破传统介质光学中的衍射极限，在贵金属表面的纳米尺度内局域和操控光场，极大地增强了光与物质的相互作用，因此已被广泛应用于生物传感、超分辨成像、表面增强拉曼散射以及集成光学等领域。然而，目前该领域面临的一大问题就是绝大部分表面等离激元器件仍然是“静态”的。也就是说，它们的功能在结构制备过程中就已经被固定下来了，这使得这些表面等离激元器件在实际应用中受到诸多限制。因此，如何将“静态”的表面等离激元器件变得“动态可调”，成为该领域的一个研究热点和发展趋势。

目前，国际上表面等离激元动态调控主要有两种思路：第一种思路是利用材料相变，第二种思路则是基于几何重构。前者受限于相变材料的工作波段和响应时间，很难在可见光区实现完全、快速的光学调制；而后者往往基于金属纳米间隙体系，需要非常复杂的微纳制备工艺和调控手段，极大地限制了这些技术在实际应用中的可行性。因此，在可见光区实现一个高反差、快速、便捷的表面等离激元调控仍然是一个艰巨的挑战。

近期，金崇君教授、沈杨副教授研究团队基于连续体中的束缚态(Bound state in the continuum，BIC) 的概念，设计了一种基于金属-水凝胶-金属 (Metal-Hydrogen-Metal, MHM) 三明治结构的光学调制器。该调制器通过环境湿度的改变来精确控制上层金光栅和下层金反射镜之间的纳米级间隙（即中间层PVA的厚度），进而调控上下金层之间的纵向耦合行为，最终实现了可见光区等离激元模式的完全切换。相关实验和模拟结果揭示了如此高的调制深度得益于MHM结构中湿度诱导的BIC-准BIC转化。如图1所示，当样品处于较低的环境湿度（< 60 %RH）时，MHM中的磁模式和SPP模式的辐射通道干涉相消，整个体系展现出一个完全的暗模式，即一条平坦而微弱的吸收谱线（BIC态）；而当湿度升高时（> 90% RH），PVA吸水溶胀厚度增加，破坏了磁模式和SPP模式的相干，其BIC态在极短时间内（~0.3秒）便塌缩成一个尖锐的Fano共振峰（准BIC态），从而实现调制深度高达-14.6 dB的光学开关调制。

图1 金属-水凝胶-金属（MHM）结构以及湿度驱动的BIC-准BIC转化。

基于超高的光学反差、亚秒级的响应时间以及不受电磁干扰的优势，MHM结构被进一步应用到人体呼吸频率监控上。如图2所示，根据所记录的呼吸脉冲信号的强度和间隔，可以轻松识别出不同的呼吸模式。同时，可检测的最大呼吸频率达到30次/分钟 (breaths per minute，bpm)。这说明基于MHM结构的光学呼吸频率传感器有望作为一种代替方案，应用于传统的电学呼吸传感器失效的场景，例如用于进行核磁共振成像和放疗的病人身上。

图2 不同呼吸模式的光谱信号

相关研究成果以“Moisture-driven switching of plasmonic bound states in the continuum in the visible region”为题发表在Advanced Functional Materials上（DOI:10.1002/adfm.202209368）。中山大学光电材料与技术国家重点实验室、材料科学与工程学院为论文唯一完成单位，在读硕士郑蔓淳为论文的第一作者，沈杨副教授为共同一作，金崇君教授、沈杨副教授、佘晓毅博士后为通讯作者。该研究工作受到国家自然科学基金等项目的资助。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202209368.

参考资料：https://mse.sysu.edu.cn/article/2379