CN108761850A - 一种圆二色性可调的光学结构及其调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学器件技术领域，具体涉及一种圆二色性可调的光学结构及其调节方法。光学结构由多个相同的周期单元按照矩形周期阵列组合而成，周期单元包括第一矩形条、第二矩形条、第三矩形条和第四矩形条，第三矩形条一端与第一矩形条连接，另一端与第二矩形条连接，第四矩形条一端与第一矩形条连接，另一端与第二矩形条连接，第一矩形条、第二矩形条和第三矩形条由贵金属材料制成，第四矩形条由VO₂材料制成。通过调节环境温度使得VO₂得到不同的相态，对于不同入射光产生不同的吸收，得到对于入射光不同的圆二色性，实现对本申请实施例光学结构圆二色性固定模式的调节，制备和使用方法简单方便，易于操作。

Description

一种圆二色性可调的光学结构及其调节方法

技术领域

本发明属于光学器件技术领域，具体涉及一种圆二色性可调的光学结构及其调节方法。

背景技术

圆二色性(CD，circular dichroism)是研究手性化合物一个十分重要的手段，在特定波长上的科顿效应(Cotton Effect)的正、负与旋光谱的左、右旋一样，对手性对映体的宏观标识具有同等作用,并可通过一些规则对手性对映体的绝对构型进行判定。

自然存在的手性结构，圆二色性比较弱，不利于更广泛的应用。由于金属与光具有更强烈的相互作用，人造金属纳米结构具有很强的圆二色性，可以用于增强自然手性分子的圆二色性信号。根据已公开的文献报道，金属纳米结构实现圆二色性的方法最主要的有两种，第一种是光正入射到金属手性纳米结构实现圆二色性(Yizhuo He，

George K.Larsen.Tunable Three-Dimensional Helically Stacked

Plasmonic Layers on Nanosphere Monolayers.Nano Lett.2014，14，

1976-1981)；第二种是光的斜入射到金属非手性结构实现圆二色性(Wuxing Lu，Jian Wu，Qiannan Zhu.Circular dichroism from single plasmonic nanostructureswith extrinsic chirality.Nanoscale，2014，6，14244)。双层和多层结构的圆二色性信号比较强，但制备工艺复杂，且对实验人员和实验仪器的要求比较高，单层结构简单，制备简单，更具实际应用价值，但目前固定结构只能产生固定的圆二色性信号，无法进行动态调控。

发明内容

为了解决现有技术中存在的固定结构的圆二色性信号固定，无法动态调控的问题，本申请实施例提供了一种圆二色性可调的光学结构及其调节方法，圆二色性可调的光学结构为单层结构，结构简单，制备方便，每个周期单元均包括一个梯形结构，梯形结构由贵金属材料制成的第一矩形条、第二矩形条、第三矩形条和由VO₂制成的第四矩形条组合而成，其中第四矩形条由VO₂材料制成，可通过调节环境温度使得VO₂得到不同的相态，对于不同入射光产生不同的吸收，得到对于入射光不同的圆二色性，即可实现对本申请实施例光学结构圆二色性固定模式的调节。

本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种圆二色性可调的光学结构，所述光学结构由多个相同的周期单元按照矩形周期阵列组合而成；所述相邻两个周期单元在X方向具有一间隙，在y方向上连续；所述周期单元包括第一矩形条、第二矩形条、第三矩形条和第四矩形条；所述第一矩形条与所述第二矩形条平行；所述第三矩形条一端与所述第一矩形条连接，另一端与所述第二矩形条连接；所述第四矩形条一端与所述第一矩形条连接，另一端与所述第二矩形条连接；所述第三矩形条与所述第四矩形条相离；所述第一矩形条、第二矩形条和第三矩形条由贵金属材料制成；所述第四矩形条由VO₂材料制成。

进一步地，所述第三矩形条与所述第一矩形条具有第一特征夹角α；所述第四矩形条与所述第一矩形条具有第二特征夹角β。

进一步地，所述光学结构还包括连接在底部的基底层。

进一步地，所述基底层由玻璃材料制成；所述贵金属材料为金或者银。

进一步地，所述第一特征夹角α不等于0°和180°；所述第二特征夹角β不等于0°和180°。

进一步地，所述第一特征夹角α和第二特征夹角β不相等。

进一步地，一种圆二色性可调的光学结构圆二色性的调节方法，包括以下步骤：

将所述光学结构置于一温度可调的密闭环境中，通过调节环境温度T＜68℃或者T＞68℃，所述第四矩形条VO₂在T＜68℃或者T＞68℃具有不同的相态，产生不同的透射特性，从而得到不同的圆二色性；通过调节所述光学结构所处环境温度即可达到调节所述光学结构圆二色性的目的。

当环境温度小于68℃，所述光学结构产生三个模式，分布为吸收点分别为：λ＝700nm，CD＝7％；λ＝800nm，CD＝13％；λ＝1350nm，CD＝-3％；

当环境温度大于68℃，所述光学结构产生三个模式，分别为吸收点分别为：λ＝700nm，CD＝18％；λ＝800nm，CD＝8％；λ＝1050nm，CD＝4％。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.本申请实施例光学结构为单层手性纳米结构，可以对于不同的圆偏振光产生不同的吸收，从而产生较大的圆二色性，用于表征或者增强手性分子的信号，用于手性生物分子的检测或者对映体传感等。本申请实施例光学结构结构简单，易于制备，结构为互相连通的单层网状结构，可以方便增加电极，通过外加电压改变结构表面的电场分布，从而改变本申请实施例光学结构对于入射光的吸收，从而达到调节本申请实施例光学结构圆二色性的目的。

2.本申请实施例光学结构第四矩形条由VO₂材料制成，在调节圆二色性时不需要改变结构本身的几何参数，只需要调节环境温度就可改变第四矩形条VO₂的相态，改变该结构对于入射光的吸收，从而改变本申请实施例光学结构的圆二色性，就可达到调节光学结构圆二色性的目的，调节方法简单便捷，对实验设备和实验人员的要求大大降低，重新设计和制备微纳光学结构工艺繁琐复杂，实验设备价格高昂，重新制备结构成本高，本申请实施例光学结构的圆二色性调节只需改变环境温度即可实现，调节方法简单快捷，极大的降低了圆二色性的调节成本。

3.本申请实施例光学结构第四矩形条使用相变材料VO₂制成，VO₂的相变温度大约为68℃，与室温相差不大，不会影响与该光学结构所在系统的其他组成部件的几何及光学特性，性能稳定，不易变形损坏，使用寿命长。

4.本申请实施例光学结构第四矩形条中VO₂在达到相变温度后，相变时间非常短，在ns级别，可以极大的提高本申请实施例光学结构圆二色性的调控灵敏度。

5.本申请实施例光学结构第四矩形条VO₂的相变过程是可逆的，可多次重复，利用率高，可广泛应用在温控装置，光电开关等方面，使用和制备成本低，节省资源避免资源浪费。

附图说明

图1是本申请实施例光学结构结构示意图；

图2是本申请实施例光学结构圆二色性光谱图。

其中：1、第一矩形条；2、第二矩形条；3、第三矩形条；第四矩形条。

具体实施方式

本申请实施例提供了一种圆二色性可调的光学结构及其调节方法，本申请实施例光学结构为单层结构，结构简单，制备方便，每个周期单元均包括一个梯形结构，梯形结构由贵金属材料制成的第一矩形条、第二矩形条、第三矩形条和由VO₂制成的第四矩形条组合而成，其中第四矩形条由VO₂材料制成，可通过调节环境温度使得VO₂得到不同的相态，对于不同入射光产生不同的吸收，得到对于入射光不同的圆二色性，即可实现对本申请实施例光学结构圆二色性固定模式的调节。解决了现有技术中存在的固定结构的圆二色性信号固定，无法动态调控的问题。制备和使用方法简单方便，易于操作。

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

一种圆二色性可调的光学结构，由多个相同的周期单元按照矩形周期阵列组合而成，相邻两个周期单元在x方向具有一间隙，在y方向上连续，每个周期单元包括第一矩形条1、第二矩形条2、第三矩形条3和第四矩形条4。第一矩形条1与第二矩形条2平行，第三矩形条3一端与第一矩形条1连接，另一端与第二矩形条2连接，第四矩形条4一端与第一矩形条1连接，另一端与第二矩形条2连接，第三矩形条3与第四矩形条4相离。第一矩形条1、第二矩形条2和第三矩形条3由贵金属材料制成，第四矩形条4由VO₂材料制成。光学结构还包括连接在底部的基底层，基底层由玻璃材料制成，贵金属材料为金或者银。

具体而言：

当入射光照射本实施例光学结构时，本实施例光学结构对左、右旋圆偏振光具有不同的吸收率从而产生圆二色性。在调节圆二色性时不需要改变结构本身的几何参数，只需要调节环境温度就可改变第四矩形条4的VO₂的相态，改变该结构对于入射光的吸收，从而改变本申请实施例光学结构的圆二色性，就可达到调节本申请实施例光学结构圆二色性的目的，调节方法简单便捷，对实验设备和实验人员的要求大大降低，解决了重新设计和制备微纳光学结构工艺繁琐复杂，实验设备价格高昂，重新制备结构成本高的问题，本申请实施例光学结构的圆二色性调节只需改变环境温度即可实现，调节方法简单方便，极大的降低了圆二色性的调节成本。

本实施例光学结构第四矩形条4由VO₂材料制成，第四矩形条4优选为金材料制成。

具体而言：

本实施例光学结构第四矩形条4使用相变材料VO₂制成，VO₂的相变温度大约为68℃，与室温相差不大，不会影响与该光学结构所在系统的其他组成部件的几何及光学特性，性能稳定，不易变形损坏，使用寿命长。VO₂在达到相变温度后，相变时间非常短，在ns级别，可以极大的提高本实施例光学结构圆二色性的调控灵敏度。而且VO₂的相变过程是可逆的，可多次重复，利用率高，可广泛应用在温控装置，光电开关等方面，使用和制备成本低，节省资源避免资源浪费。

第三矩形条3与第一矩形条1具有第一特征夹角α，第四矩形条4与第一矩形条1具有第二特征夹角β，第一特征夹角α不等于0°和180°，第二特征夹角β不等于0°和180°。第一特征夹角α和第二特征夹角β不等于0°和180°，避免第一矩形条1和第二矩形条2重合，且第一特征夹角α和第二特征夹角β不相等，形成非手性结构，从而可以产生较大的圆二色性。

具体而言：

本实施例光学结构为单层手性纳米结构，可以对于不同的圆偏振光产生不同的吸收，得到较大的圆二色性，用于表征或者增强手性分子的信号，用于手性生物分子的检测或者对映体传感等。本实施例光学结构结构简单，易于制备，结构为互相连通的单层网状结构，可以方便连接电极，通过外加电压改变结构表面的电场分布，从而改变本申请实施例光学结构对于入射光的吸收，从而达到调节本申请实施例光学结构圆二色性的目的。

实施例2：

为进一步阐述实施例1所公开的圆二色性可调的光学结构，本实施例公开了该结构在不同温度下的圆二色性光谱图。用图形发生器按照实施例1光学结构设定具体设置参数如下：

第一矩形条1长度l₁＝第二矩形条2长度l₂＝700nm；第三矩形条3宽度w₃＝50nm；第四矩形条4宽度w₄＝100nm；第一矩形条1宽度w₁＝100nm；第二矩形条2宽度w₂＝50nm；周期单元尺寸为P_x×P_y＝600nm×700nm，光学结构厚度为350nm；第一特征夹角α＝第二特征夹角β＝60°。利用圆偏振光垂直照射本实施例光学结构，在不同温度下测得其针对不同圆偏振光的吸收，得到如图2所示本实施例光学结构的吸收圆二色性光谱图。

从图2中我们可以清楚的看到，当环境为常温，本实施例优选为温度T＝20℃，可以产生三个圆二色性吸收点，分别为：λ＝700nm，CD＝7％；λ＝800nm，CD＝13％；λ＝1350nm，CD＝-3％。当高温环境时，本实施例优选为温度T＝68℃，圆二色性光谱图中产生三个吸收点：λ＝700nm，CD＝18％；λ＝800nm，CD＝8％；λ＝1050nm，

CD＝4％。

本实施例光学结构高温相较于常温时的圆二色性信号有所增强，常温时λ＝1350nm的模式发生了蓝移，高温时出现在了λ＝1050nm，且CD的符号发生了反转，由常温时的-3％变为高温时的4％。本申请实施例可以通过温度的调节对光学结构的CD模式的位置进行调整。

实施例3：

基于实施例1公开的光学结构，本实施例公开了一种光学结构圆二色性的调节方法，包括以下步骤：

将光学结构置于一温度可调的密闭环境中，通过调节环境温度T＜68℃或者T＞68℃，第四矩形条4VO₂在T＜68℃或者T＞68℃具有不同的两种相态，产生不同的透射特性，从而得到不同的圆二色性，通过调节光学结构所处环境温度即可达到调节光学结构圆二色性的目的。

当环境温度小于68℃，所述光学结构产生三个模式，分布为吸收点分别为：λ＝700nm，CD＝7％；λ＝800nm，CD＝13％；λ＝1350nm，CD＝-3％；

当环境温度大于68℃，所述光学结构产生三个模式，分别为吸收点分别为：λ＝700nm，CD＝18％；λ＝800nm，CD＝8％；λ＝1050nm，CD＝4％。

具体而言：

环境温度T可通空气温度调节器，例如空调或者普通加热器或者制冷器进行加热或者冷却即可。

本实施例光学结构可以调节本实施例对于圆偏振光的吸收，通过改变环境温度T，使VO₂的晶格结构发生四方金红石结构(T＞68℃)和单斜结构(T＜68℃)的转变，两种温度下的VO₂相态不同，具有不同的吸收特性，从而在不改变原结构的前提下，实现通过调节光学所处环境温度T实现对本申请实施例光学结构吸收特性的调节，从而达到改变本申请实施例光学结构圆二色性的目的，解决了目前固定结构圆二色性无法调节的问题，本申请实施例光学结构设计新颖，结构简单具有一定的设计指导作用，更为其他光学器件的研究提供了一种新的研究方向和思路。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种圆二色性可调的光学结构，其特征在于：所述光学结构由多个相同的周期单元按照矩形周期阵列组合而成；所述相邻两个周期单元在X方向具有一间隙，在y方向上连续；所述周期单元包括第一矩形条、第二矩形条、第三矩形条和第四矩形条；

所述第一矩形条与所述第二矩形条平行；所述第三矩形条一端与所述第一矩形条连接，另一端与所述第二矩形条连接；所述第四矩形条一端与所述第一矩形条连接，另一端与所述第二矩形条连接；所述第三矩形条与所述第四矩形条相离；

所述第一矩形条、第二矩形条和第三矩形条由贵金属材料制成；所述第四矩形条由VO₂材料制成。

2.根据权利要求1所述的光学结构，其特征在于：所述第三矩形条与所述第一矩形条具有第一特征夹角α；所述第四矩形条与所述第一矩形条具有第二特征夹角β。

3.根据权利要求1所述的光学结构，其特征在于：所述光学结构还包括连接在底部的基底层。

4.根据权利要求3所述的光学结构，其特征在于：所述基底层由玻璃材料制成；所述贵金属材料为金或者银。

5.根据权利要求2所述的光学结构，其特征在于：所述第一特征夹角α不等于0°和180°；所述第二特征夹角β不等于0°和180°。

6.根据权利要求2所述的光学结构，其特征在于：所述第一特征夹角α和第二特征夹角β不相等。

7.根据权利要求1-6所述的任一光学结构圆二色性的调节方法，其特征在于：包括以下步骤：

将所述光学结构置于一温度可调的密闭环境中，通过调节环境温度T＜68℃或者T＞68℃，所述第四矩形条VO₂在T＜68℃或者T＞68℃具有不同的相态，产生不同的透射特性，从而得到不同的圆二色性；通过调节所述光学结构所处环境温度即可达到调节所述光学结构圆二色性的目的；

当环境温度小于68℃，所述光学结构产生三个模式，分布为吸收点分别为：λ＝700nm，CD＝7％；λ＝800nm，CD＝13％；λ＝1350nm，CD＝-3％；

当环境温度大于68℃，所述光学结构产生三个模式，分别为吸收点分别为：λ＝700nm，CD＝18％；λ＝800nm，CD＝8％；λ＝1050nm，CD＝4％。