激光打印等离子体连续束缚态超表面实现高效非线性光转换与红外光电探测

《Light-Science & Applications》：Nonlinear light conversion and infrared photodetection with laser-printed plasmonic metasurfaces supporting bound states in the continuum

本刊推荐：研究人员针对等离子体超表面制备成本高、步骤繁琐的瓶颈，开发了飞秒激光直写金膜制备空心纳米凸起阵列的新方法。该结构支持对称保护的准连续束缚态（qBIC）模式，品质因子（Q-factor）达20，在临界耦合条件下三次谐波产生（THG）增强因子达105。集成HgTe量子点的场效应晶体管器件在200 K、5 V偏压下实现8.7×1011Jones的比探测率，为短波红外光电探测器提供了新思路。

　　

在纳米光子学领域，等离子体超表面因其能突破衍射极限实现纳米尺度光场调控而备受关注。然而传统制备方法依赖昂贵的光刻技术，且金属固有的欧姆损耗导致局域表面等离子体共振（LSPR）品质因子（Q-factor）较低，制约了实际应用。连续束缚态（BIC）作为一种理论上具有无限Q值的共振模式，虽在介电超表面中取得进展，但其模式体积较大，而等离子体体系虽能实现更强的光场局域，却难以兼顾高Q值与简易制备。

针对这一矛盾，Pavlov等人创新性地采用飞秒激光直写技术，在玻璃基底的金膜表面制备了周期性空心纳米凸起阵列。

通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和角度分辨三次谐波产生（THG）实验，结合光学模拟，证实该结构支持对称保护的等离子体准连续束缚态（qBIC），实验测得Q因子最高达40。当辐射损耗与非辐射损耗在临界耦合条件下匹配时，THG信号相较于平滑金膜增强约10⁵倍。研究者进一步将此类超表面集成至HgTe量子点（QD）场效应晶体管（FET）的电极上，在200 K工作温度下实现了8.7×10¹¹Jones的比探测率及微秒级响应速度，为发展高性能短波红外（SWIR）光电探测器开辟了新途径。该成果发表于《Light: Science & Applications》2026年第15卷第23期。

关键技术方法包括：1）采用数值孔径0.42的干透镜聚焦515 nm飞秒激光脉冲，通过数控平台在金膜表面制备周期可调（1.2-4 μm）的纳米凸起阵列；2）结合扫描电子显微镜（SEM）和聚焦离子束（FIB）切割表征形貌；3）利用FTIR显微光谱系统（Bruker Vertex系列）和光学参量放大器（OPA）测试线性/非线性光学响应；4）通过COMSOL Multiphysics 6.1软件进行准正规模（QNM）分析及非线性极化计算；5）采用电化学法合成HgTe量子点，并与In₂O₃纳米颗粒（10:1体积比）混合旋涂于商用FET基底构建光电探测器。

Plasmonic BICs in laser-printed nanobump arrays

通过SEM和FIB截面分析证实，飞秒激光在50 nm金膜表面诱导形成了空心纳米凸起，其高度约0.42 μm，基底半径0.4 μm。FTIR光谱显示阵列在1.3-8 μm波段出现反射谷，Q因子（Q_L=Δλ_R/λ_R）为12-17。光学模拟表明，孤立纳米凸起的偶极局域模式Q值仅约3，而阵列中通过表面等离子体激元（SPP）耦合形成集体模式，在Γ点附近出现BIC特征——TM偏振光激发时吸收谱中可见角度依赖的共振峰，且正好在Γ点吸收为零，符合对称保护BIC的反对称场分布特征。

THG empowered by the plasmonic BICs of the laser-printed metasurface

当泵浦波长（λ_ω）与BIC共振波长（λ_R）匹配时，THG强度出现共振增强，且线宽较FTIR测量更窄（Q因子达40）。在临界耦合角θ_cr≈15°时，THG信号较垂直入射增强约10³倍，总增强因子达10⁵。模拟发现需将金介电常数虚部ε″从8.3提高至50才能复现实验临界角，表明制备缺陷和光热效应引入了额外非辐射损耗。

HgTe QDs-based SWIR photodetector plasmonic BICs of the laser-printed metasurface

将共振波长λ_R=1.95 μm的超表面集成于FET电极后，HgTe量子点活性层吸收增强28倍，光电流在λ_R处提升13倍。器件在5 V偏压、200 K时比探测率最高达（8.7±1.2）×10¹¹Jones，响应时间缩短至微秒级（参考器件为毫秒级），带宽500 Hz。噪声分析表明Generation-recombination噪声是主要限制因素。

研究通过飞秒激光直写技术实现了可定制BIC共振的等离子体超表面，突破了传统制备方法的复杂性。该结构在临界耦合条件下显著增强非线性光学效应，并成功应用于红外光电探测器，兼具高灵敏度与快响应特性。激光加工的高重现性和宽谱调谐能力（1.3-8 μm）为纳米光子器件在传感、非线性光学和光电探测等领域的实用化提供了新范式。