过去的十几年里，Tamm等离极化激元(Tamm plasmon-polariton，TPP)因其独特的局域特性和可操纵性，可以通过结构参数精确控制 TPP 的界面光场，为在纳米尺度上的光操控提供了一个多功能工具，在生物传感器、热辐射源、光电探测器等应用领域有着巨大的应用潜力。然而，尽管 TPP 具有这些显著优势，它们在光子器件中的实际应用仍然面临一些挑战。其中一个关键的挑战在于超薄金属膜中激发 TPP 的困难，尤其是在厚度小于 10nm 的薄膜中，传统的方法难以实现有效的 TPP 激发。
针对薄金属层与光子晶体之间相互作用不足、无法支持 TPPs 激发的问题，华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室/高等研究院王少伟教授团队联合芬兰阿尔托大学的孙志培教授提出了一种在超薄金属膜中引入低损耗布拉格反射镜(DBR)补偿层构成超界面(metainterface)，从而实现广义Tamm等离极化激元(generalized Tamm plasmon polariton ，GTPP)有效激发的新方法。该方法不仅能够在界面处高效激发GTPP，在 532 nm 共振波长下实现完美吸收(达 99.1%)，还具有源于拓扑鲁棒性的制备容错能力。为验证该方法的有效性，研究团队设计并制备了 14个窄带吸收片上集成芯片。实验结果显示，与未激发GTPP的传统结构相比，该器件可将窄带反饱和吸收阈值显著降低124.7倍至 7.7×10⁻⁵ nJ/μm²，并展示出可将激发荧光后残留的强大激光干扰显著消除的能力，从而使荧光测量中对激光杂光的消光能力提升两个数量级，可作为高性能Notch filter使用。该研究不仅通过超界面的构筑显著增强了超薄金属膜中的光–物质相互作用，也拓展了TPP的理论框架与实际应用前景。
研究成果于2025年10月22日以题为“Excitation of Tamm Plasmon Polariton in Ultra-thin Metals”发表在《Science Advances》上。华东师范大学硕士生张江伟、博士生王鹏森为共同第一作者，王少伟教授和芬兰阿尔托大学孙志培教授为共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金重大仪器专项、上海市市级科技重大专项等项目的资助。
图 1. 利用超薄金属膜实现广义 Tamm 等离激元(GTPP)的设计策略。(A) 厚金属–DBR结构中 TPP 激发的示意图。(B) 厚金属条件下 TPP 激发的反射光谱。(C) 在 (D) 中共振波长 λ = 833 nm 时的折射率分布(红色实线)和电场分布(蓝色实线)。(D) 超薄金属–DBR 结构的示意图。(E) 超薄金属–DBR 结构的反射光谱。(F) 在 (E) 中 λ = 833 nm 时的折射率分布(红色实线)和电场分布(蓝色实线)。(G) 在超薄金属膜的另一侧引入 DBR 补偿层。(H) 加入 DBR 补偿层后展示GTPP的反射光谱。(I) 在 (H) 中共振波长 λ = 833 nm 时的折射率分布(红色实线)和电场分布(蓝色实线)。
图 2. 超薄金属结构中GTPP激发的示意图及其光谱特性。(A) 通过 GTPP 激发在超薄金属–介质结构中实现特定波长完美光吸收的示意图。红色曲线表示增强的电场分布。(B) 制备的 2 nm金膜的扫描电子显微镜(SEM)表面形貌图。(C) 完整 GTPP 器件结构的截面SEM图像。(D) GTPP 器件的实验反射光谱和吸收光谱。(E) 在 TE 和 TM 偏振条件下计算得到的 GTPP 模式色散关系。
图 3. 通过结构设计调控 GTPP 的特性。(A) 在固定底部 DBR 对数(m₂ = 11)的条件下，计算得到随顶部 DBR 对数(m₁)增加而变化的 2 nm 金属膜反射系数。黑色参考曲线表示超薄金属/DBR 补偿层界面的基准反射系数。(B) 数值模拟得到的吸收光谱，展示了不同顶部 DBR 对数下 GTPP 共振的演化过程。(C) 不同顶部 DBR 对数的 GTPP 器件的实验吸收光谱。(D) 不同顶部 DBR 对数对应的吸收峰位置与吸收效率的定量分析。(E) 计算得到的金属–顶部 DBR 界面反射相位随相位匹配层厚度(70–190 nm)变化的规律。(F) 模拟反射光谱，展示了相位匹配层厚度变化对反射特性的影响。(G) 制备的 14 通道 GTPP 器件阵列的归一化反射光谱，相位匹配层厚度为 30–180 nm，通道间隔约为 11.4 nm。
图 4. GTPP 系统中光谱相位奇点(SPS)的拓扑特性(模拟结果)。(A) 厚度为 2 nm 的金属膜在波长–位置(λ–p)空间中的反射相位分布。(B) 随着金属厚度增加(3 nm 情况)，λ–p 空间中 SPS 的演化过程。(C) 基于拓扑电荷演化的双峰完美吸收(PA)机制：左图为单吸收峰(无完美吸收)且 SPS 湮灭的情况；右图为伴随生成 q = ±1 拓扑电荷对的双完美吸收峰情况。(D) 介质微腔中拓扑相位奇点电荷随金属厚度变化的演化路径。
图 5. 基于 GTPP 器件的非线性吸收特性与杂散激光抑制性能。(A) 随入射功率密度增加，2 nm 厚超薄金膜的归一化反射率变化，表现出反饱和吸收(RSA)行为。随着功率密度升高，反射率逐渐降低，而归一化吸收率(插图)增加并最终饱和。测得的RSA 阈值为 9.6×10⁻³ nJ/μm²。(B) GTPP增强的RSA响应, 与裸金膜相比，其阈值显著降低至 7.7×10⁻⁵ nJ/μm²。反射率下降更明显，吸收率(插图)在较低功率密度下即达到饱和，表明非线性等离激元效应得到增强。(C) 采用 532 nm 激光激发 CdSe 量子点的荧光光谱，显示出极强的残余激光干扰，掩盖了 625 nm 的荧光信号(参见光谱测试结果)。(D) 当使用 GTPP 器件替代传统反射镜后，532 nm 激光被完全吸收抑制。(E) 金属反射镜与 GTPP 器件在不同激光强度(1~10 mW)下的消光性能对比。(F) 在 532 nm 激光激发下的 CdSe 量子点荧光成像。经过 GTPP 器件吸收消除激光干扰后的纯荧光图像更清晰、均匀。
研究团队提出了一种利用介质多层膜-金属–介质多层结构来激发超薄金属GTPP的新方法。通过在超薄金膜上方引入布拉格反射镜(DBR)并调控其对数与相位匹配层厚度，实现了对界面反射相位与吸收峰位置的精确可控调节。该结构具有对金属损耗的拓扑鲁棒性，并显著增强了非线性反饱和吸收效应，将阈值降低124.7倍至 7.7×10⁻⁵ nJ/μm²。最终，研究团队将该机制成功应用于荧光光谱中的残余激光抑制，展现出对特定波长优异的消光性能。该机制在荧光光谱、显微拉曼光谱、激光共聚焦荧光等精密光学仪器中具备广泛应用潜力，可有效抑制残余激光干扰，显著提升系统信噪比与测量精度，为高性能光谱分析与成像提供新的技术支撑。此外，该结构所依托的极化激元技术未来有望用于构建更紧凑、响应更快的光学开关与调制器，从而推动超高速光通信器件的发展。同时，得益于其强局域电场增强特性，该结构还可显著提高生化与环境传感器的检测灵敏度，实现微量物质的高精度探测等。
文章链接：
作者简介：
张江伟：硕士研究生，主要从事微纳光子器件方向的研究，重点关注等离激元、折射率传感器件和手性增强器件等新型光学结构的设计与实现。课题研究重点致力于通过光场调控与界面工程提升器件的灵敏度与稳定性，为高性能纳米光子传感和光学探测技术提供新的解决方案。
王鹏森：博士研究生，研究方向为微纳光子器件，主要涉及微型光谱仪、深度学习辅助的逆向设计及智能光学系统开发。研究聚焦于将人工智能算法与光子器件设计相结合，实现高效的结构优化与功能拓展，为新一代高集成度、智能化光子芯片的研制提供理论与技术支持。已作为一作或共一作者发表Science Advances等SCI论文4篇。
王少伟，华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室教授，国家重点研发专项首席科学家，曾入选国家级人才计划。长期从事光谱和偏振等光场调控与探测技术研究，曾主持国家重点研发专项等项目20余项，撰写Elsevier出版社手册等章节2章；发表Science Advances、Advanced Materials等SCI论文100余篇；获国家发明专利授权50余项（其中美国1项）；曾获国家自然科学二等奖、国家技术发明二等奖、中国专利优秀奖、上海市技术发明一等奖（2020、2010）、上海市自然科学一等奖，以及国际先进材料协会奖章（IAAM Medal）、上海市科技系统青年五四奖章（2021集体、2012个人）、中国科学院卢嘉锡青年人才奖、饶毓泰基础光学奖等奖励与荣誉。曾任中国光学工程学会理事、Elsevier出版社Microelectronics Engineering期刊副主编及Nature、Nature Electronics等审稿人，在SPIE等重要国际会议上几十次作邀请报告或分会主席。在国际上率先提出并实现的集成微腔分光新方法及微型光谱仪新概念，使光谱仪体积大幅减小至芯片尺寸仍保持高光谱分辨率，解决了传统光谱分辨率与体积间的原理性矛盾，被美国国家实验室、加州大学伯克利分校、麻省理工学院等多国知名学术机构同行高度评价，认为“Wang等建立了一个新方法”、“在芯片级光谱仪方面取得显著进展”、“是一种有前途的方法”等等，并已成功用于我国实践十号卫星，实现了从概念提出、器件实现到空间验证的全创新链研究。
撰稿|课题组
