近日，我校電子信息學(xué)院智能微傳感器與微系統(tǒng)教育部工程研究中心王濤副教授的研究生張浩然以第一作者第一單位在Nanophotonics（影響因子：8.449）上發(fā)表題目為“Quasi-BIC laser enabled by high-contrast grating resonator for gas detection”的研究論文。我校電子信息學(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、中國科學(xué)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。
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)。這種未達(dá)到全內(nèi)反射也可以無輻射損耗的奇異現(xiàn)象引起了科研工作者的廣泛關(guān)注，并在近幾年通過各種體系對其進(jìn)行了深入探索。其中光學(xué)體系中的理想BICs具有共振線寬非常窄，Q值無線大的特點(diǎn)，可以應(yīng)用于濾波器、激光器、以及傳感器的設(shè)計(jì)中，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(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。
研究人員結(jié)合光學(xué)BIC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。具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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
本文首先對未加入有機(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的前提下，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)性（圖2a）。通過角譜分析，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(gè)輻射通道的能量在沒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)就可以組成一對高反射鏡，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2pi的整數(shù)倍，這樣就形成了法布里-珀羅型BIC 模式。而由兩個(gè)高反鏡組成的結(jié)構(gòu)可以看作是法布里-珀羅諧振腔。
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
通過改變器件所處的環(huán)境折射率，本文進(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(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(jì)算得到器件傳感靈敏度為221 nm/RIU，品質(zhì)因子高達(dá)4420RIU-1。該指標(biāo)高出先前報(bào)道的無源傳感器品質(zhì)因子一個(gè)量級，充分說明該準(zhǔn)BIC激光器件在危險(xiǎn)氣體檢測方面具有很強(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。
