表面等离激元共振的调制 基础概念回顾 表面等离激元共振（SPR）是发生在金属-电介质界面的一种集体电子振荡现象。当入射光的频率和动量与表面等离激元（SPP）的色散关系匹配时，会发生共振，表现为对入射光的强烈吸收或散射。其共振条件（如共振波长、角度）高度敏感于界面附近的环境折射率，这是SPR传感的原理基础。未经“调制”的SPR，其共振特性由金属材料、电介质环境和几何结构本身固有决定。 调制的定义与目的 “调制”在此指主动、可逆地改变SPR的共振条件（如共振峰位置、强度或线宽）或激发效率。调制的目的是为了动态控制光与物质的相互作用，从而实现在传感、光开关、光调制、信息处理和活性光子器件等方面的主动功能，而不仅仅是被动响应。 主要的物理调制机制 a. 电学调制 ：通过在金属结构上施加偏置电压，改变其周围或内部的载流子浓度。这可以通过两种主要方式影响SPR： 改变周围介质的折射率 ：例如，在金属表面覆盖电光材料（如液晶、铁电材料），通过电压改变其折射率。 改变金属本身的载流子密度（电化学掺杂） ：适用于像石墨烯、氧化铟锡（ITO）等材料，其等离子体频率随载流子密度变化，从而直接改变SPR特性。 b. 光学调制 ：使用一束强的泵浦光（通常波长在SPR共振峰附近或更短）照射SPP结构。泵浦光可以： 产生非平衡热载流子 ：改变金属的介电函数。 加热结构 ：引起热膨胀和介电常数变化（热光效应）。 激发非线性光学效应 ：在强光下，周围介质或金属本身的非线性极化率会导致折射率随光强变化（如克尔效应）。 c. 机械调制 ：通过施加机械力改变SPP结构的物理形态。 应变工程 ：拉伸或弯曲支撑SPP结构的柔性基底，改变纳米结构的间距、形状或金属的晶格常数，从而调控SPP的耦合和色散。 可调谐间隙 ：在纳米间隙等离激元结构中，通过微机电系统（MEMS）或压电驱动器精确控制纳米尺度的间隙距离，强烈调制局域等离激元场的强度。 d. 化学与电化学调制 ：通过化学反应或电化学反应可逆地改变金属表面的化学状态或吸附层。 电化学氧化还原 ：例如，在金表面可逆地形成/还原氧化层，改变其表面介电性质。 氢/氘掺杂 ：在钯等金属中，吸附氢原子会改变其电子结构，从而显著移动SPR峰。 调制的核心性能指标 评价调制效果的参数主要包括： 调制深度 ：共振峰强度或波长变化的最大幅度。 调制速度 ：从一种状态切换到另一种状态所需的时间，决定了器件的工作带宽。电学调制通常最快（可达GHz甚至THz），光学调制次之（ps-ns量级），机械和化学调制较慢（µs-s量级或更慢）。 功耗 ：完成一次调制所需的能量。 可逆性与稳定性 ：能否长期、循环地稳定工作。 典型应用示例 a. 动态SPR传感器 ：通过电学或光学调制实现共振峰的周期性扫描，可以提高检测的信噪比和灵敏度，或实现多参数动态监测。 b. 等离激元器件 ：基于电光或全光调制的SPR波导开关、调制器，用于集成光子电路。 c. 可重构等离激元超表面 ：通过电学或机械方式，大规模调控超表面单元（超原子）的SPR响应，从而动态控制反射/透射光束的相位、振幅和偏振，用于全息成像、光束 steering 和自适应光学。