CN108957614B - 双层螺旋线手性非对称平面超材料圆二色性器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双层螺旋线手性非对称平面超材料圆二色性器件，包括衬底1、位于衬底1上部的包覆层2和圆二色性作用层3，圆二色性作用层3为一阵列结构，阵列结构由多个上下两层具有一定缩放系数的阿基米德螺旋线阵列单元构成，上、下层阿基米德螺旋线均为手性超材料，其中下层阿基米德螺旋线被所述包覆层2所包覆且包覆层2的厚度与下层阿基米德螺旋线的厚度一样，上层阿基米德螺旋线位于所述包覆层2上部。与现有的三层非对称平面超材料结构相比，本发明的双层螺旋线手性非对称平面超材料大大提高了圆二色性能，并具有全新的工作机理。本发明在分子结构探测、显示、激光、成像等生物与光电子领域具有广泛应用前景。

Description

双层螺旋线手性非对称平面超材料圆二色性器件
技术领域
本发明涉及一种偏振器技术领域，具体涉及一种双层螺旋线手性非对称平面超材料圆二色性器件。
背景技术
圆二色性是手性材料的基本特性，是指手性材料对不同圆偏振光的响应差异性(如吸收、反射、透射)。自然界中绝大部分由分子构成的材料和生物组织都具有一定的手性，因此可以开发圆二色性光谱技术对材料进行检测和对生物分子结构进行分析。然而自然材料的手性和圆二色性较弱，限制了其在多领域的应用范畴。相比而言，人工超材料具有优异的结构调节灵活度，通过合理的设计可以产生显著的手性和圆二色性，因而近些年来受到国内外研究人员的广泛关注。
现有的人工手性超材料主要包括两大类，第一类是三维手性超材料，主要代表为三维螺旋线结构。例如，文献一(J.K.Gansel,M.Thiel,M.S.Rill,et al.Gold helixphotonic metamaterial as broadband circular polarizer.Science,2009,5947(325):1513-1515.)报道了一种金属三维螺旋线手性超材料，在很宽的频带内(3.5μm～6.5μm)实现了高的圆二色性(约0.7)。专利CN201510607566.5公开了一种金属三维渐变螺旋线手性超材料，在宽频内实现了更高的圆二色性。这类具有宽频圆二色性的三维手性超材料特别适合应用于圆偏振器上。然而三维手性超材料的制备工艺主要依赖于激光直写技术，因而限制了器件的工作波长主要在中远红外和太赫兹波段，对于近红外和可见光波段无法实现，这就大大限制了很多在此波段工作的应用。第二类是平面手性超材料。与三维手性超材料相比，平面手性超材料可以通过成熟的微纳加工手段(如电子束曝光和离子束刻蚀技术)来实现能工作于可见光一直到太赫兹波段的器件结构，因此应用波段范围大大提升。与此同时，平面手性超材料通过谐振单元的设计可以实现很高品质因子的圆二色性谐振峰，因此可以应用到更多的领域，如滤波，激光，显示，成像，传感等。为了提高圆二色性能，目前广泛采用的平面手性超材料结构是多层堆叠结构，主要分为三种：第一种是金属-电介质-金属(MDM)三层对称平面超材料结构，即三层具有完全相同的超材料图案。第二种是多层旋转对称平面超材料结构，即每层具有完全相同的超材料图案，但是彼此之间具有一定的旋转角。第三种是多层非对称平面超材料结构，即每层的超材料图案在形状或者尺寸或者空间位置等方面有所不同。前两种平面手性超材料目前研究的较为成熟，所报道的圆二色性最高能接近0.6左右。第三种平面手性超材料研究的较少，目前所报道的结构圆二色性值较低，还有很大的提升空间。例如文献二(M.Decker,M.W.Klein,M.Wegener,andS.Linden.Circular dichroism of planar chiral magnetic metamaterials.OpticsLetters,2007,7(32):856-858.)报道了一种三层非对称平面超材料结构，其在近红外波段的圆二色性最高只有0.1左右。
发明内容
本发明的目的在于提出一种双层螺旋线手性非对称平面超材料圆二色性器件，以突破三维手性超材料在工作频带和应用领域上的限制，并解决现有非对称平面超材料方案存在的圆二色性不高的问题。
本发明的技术方案为：
一种双层螺旋线手性非对称平面超材料圆二色性器件，所述器件包括衬底、位于所述衬底上部的包覆层和圆二色性作用层，所述的衬底材料的折射率范围为1～4，包覆层材料的折射率范围为1～3，所述的圆二色性作用层为一阵列结构，所述阵列结构由多个上下两层具有一定缩放系数的阿基米德螺旋线阵列单元构成，上、下层阿基米德螺旋线均为手性超材料，其中下层阿基米德螺旋线被所述包覆层所包覆且包覆层的厚度与下层阿基米德螺旋线的厚度一样，上层阿基米德螺旋线位于所述包覆层上部，所述手性超材料为Ag或Au或Cu或Pt或Al或Cr；
所述下层阿基米德螺旋线的初始半径r1，线宽W1，螺距L1，厚度T1，螺旋周期数为1，且满足r1＝W1＝L1，上层阿基米德螺旋线的初始半径r2，线宽W2，螺距L2，厚度T2，螺旋周期数为1，且满足r2＝W2＝L2＝αr1(0.2<α<0.8)。
进一步地，所述衬底的材料为玻璃或树脂或硅。
进一步地，所述包覆层的材料为聚合物或玻璃或树脂。
进一步地，r1＝30～70nm，T1＝80～220nm，T2＝80～220nm。
进一步地，所述阿基米德螺旋线阵列单元的单元尺寸为p×p，p＝400～600nm。
进一步地，所述衬底的材料为折射率为1.52的玻璃，包覆层的材料为折射率为1.5的聚合物。
本发明的优点是：
1、与三维手性超材料相比，本发明的双层螺旋线手性非对称平面超材料可以通过成熟的微纳加工手段(如电子束曝光和离子束刻蚀技术)来实现能工作于可见光一直到太赫兹波段的应用，因此应用波段范围大大提升。与此同时，与三维手性超材料主要用于偏振器相比，本发明的双层螺旋线手性非对称平面超材料可以应用到更多的领域，如滤波，激光，显示，成像，传感等。
2、与现有文献所报道的三层非对称平面超材料结构相比，本发明的双层螺旋线手性非对称平面超材料大大提高了圆二色性能，同时抛弃了中间电介质层，在器件的集成性能上得到提升。
3、本发明的双层螺旋线手性非对称平面超材料工作机理基于平面内的间隙表面等离激元效应。由于平面内间隙表面等离激元效应可以显著的提高光子的局域化强度，同时便于与作用物质接触(如荧光分子，生物分子)，因此本发明在激光、显示、传感等基于圆二色性的应用效果上要优于传统的平面手性超材料。
附图说明
图1是本发明双层螺旋线手性非对称平面超材料圆二色性器件结构示意图；
图2为实施例1中双层螺旋线手性非对称平面超材料对左右圆偏振光的透射谱和圆二色性谱；
图3为实施例2中双层螺旋线手性非对称平面超材料对左右圆偏振光的透射谱和圆二色性谱；
图4为实施例3中双层螺旋线手性非对称平面超材料对左右圆偏振光的透射谱和圆二色性谱；
图5为实施例4中双层螺旋线手性非对称平面超材料对左右圆偏振光的透射谱和圆二色性谱；
图6为实施例5中双层螺旋线手性非对称平面超材料对左右圆偏振光的透射谱和圆二色性谱；
图7为实施例6中双层螺旋线手性非对称平面超材料对左右圆偏振光的透射谱和圆二色性谱。
具体实施方式
为了便于说明，下面将以工作在近红外波段的双层螺旋线手性非对称平面超材料圆二色性器件为例，结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明：
如图1所示，本发明提出的一种双层螺旋线手性非对称平面超材料圆二色性器件，所述器件包括衬底1、位于所述衬底1上部的包覆层2和圆二色性作用层3，所述的衬底1材料的折射率范围为1～4，包覆层2材料的折射率范围为1～3，所述的圆二色性作用层3为一阵列结构，所述阵列结构由多个上下两层具有一定缩放系数的阿基米德螺旋线阵列单元构成，上、下层阿基米德螺旋线均为手性超材料，其中下层阿基米德螺旋线被所述包覆层2所包覆且包覆层2的厚度与下层阿基米德螺旋线的厚度一样，上层阿基米德螺旋线位于所述包覆层2上部，所述手性超材料为Ag或Au或Cu或Pt或Al或Cr；所述下层阿基米德螺旋线的初始半径r1，线宽W1，螺距L1，厚度T1，螺旋周期数为1，且满足r1＝W1＝L1，上层阿基米德螺旋线的初始半径r2，线宽W2，螺距L2，厚度T2，螺旋周期数为1，且满足r2＝W2＝L2＝αr1(0.2<α<0.8)。
本发明的双层螺旋线手性非对称平面超材料圆二色性器件工作原理是：上下两层阿基米德螺旋线与包覆层在界面处形成了金属-电介质-金属(MDM)结构，并在包覆层中形成了强烈的间隙表面等离激元效应(gap plasmon)。当上下两层阿基米德螺旋线的比例处在合适的值时，不同的圆偏振光产生的间隙表面等离激元效应差异性最大，从而对不同的圆偏振光的吸收差异性，即圆二色性达到最大。
实施例1
衬底1材料为折射率为1.52的玻璃，包覆层2材料为折射率为1.5的聚合物，螺旋线的材料为Ag，下层螺线的参数设定为r1＝W1＝L1＝40nm，T1＝120nm，上层螺线的参数设定为r2＝W2＝L2＝25nm，T2＝120nm，上下螺旋线阵列的单元尺寸为p×p，p＝500nm。
图2是本实施例的透射谱和圆二色性谱(其中CD为该结构对左旋圆偏光与右旋圆偏光透射率之差的绝对值)，图中实线为对右圆偏振光的透射谱，虚线为对左圆偏振光的透射谱，可以看出在1400nm和2000nm附近处透射谱存在显著的差异，对应的圆二色性分别达到0.38和0.40左右，具有优异的双尖峰响应。
实施例2
衬底1材料为折射率为1.52的玻璃，包覆层2材料为折射率为1.5的聚合物，螺旋线的材料为Ag，下层螺线的参数设定为r1＝W1＝L1＝56nm，T1＝120nm，上层螺线的参数设定为r2＝W2＝L2＝35nm，T2＝120nm，上下螺旋线阵列的单元尺寸为p×p，p＝500nm。
图3是本实施例的透射谱和圆二色性谱(其中CD为该结构对左旋圆偏光与右旋圆偏光透射率之差的绝对值)，图中实线为对右圆偏振光的透射谱，虚线为对左圆偏振光的透射谱，可以看出在1600nm和2200nm附近处透射谱存在显著的差异，对应的圆二色性分别达到0.44和0.39左右，具有优异的双尖峰响应。与实施例1相比，在上下螺旋线尺寸缩放比例不变的情况下，提高螺旋线的绝对尺寸有助于进一步提高圆二色性。
实施例3
衬底1材料为折射率为1.52的玻璃，包覆层2材料为折射率为1.5的聚合物，螺旋线的材料为Ag，下层螺线的参数设定为r1＝W1＝L1＝56nm，T1＝200nm，上层螺线的参数设定为r2＝W2＝L2＝35nm，T2＝200nm，上下螺旋线阵列的单元尺寸为p×p，p＝500nm。
图4是本实施例的透射谱和圆二色性谱(其中CD为该结构对左旋圆偏光与右旋圆偏光透射率之差的绝对值)，图中实线为对右圆偏振光的透射谱，虚线为对左圆偏振光的透射谱，可以看出在1650nm和2250nm附近处透射谱存在显著的差异，对应的圆二色性分别达到0.45和0.48左右，具有优异的双尖峰响应。与实施例2相比，在同样的结构参数下，同时增加上下螺旋线的厚度有助于进一步提高圆二色性。
实施例4
衬底1材料为折射率为1.52的玻璃，包覆层2材料为折射率为1.5的聚合物，螺旋线的材料为Ag，下层螺线的参数设定为r1＝W1＝L1＝56nm，T1＝120nm，上层螺线的参数设定为r2＝W2＝L2＝35nm，T2＝200nm，上下螺旋线阵列的单元尺寸为p×p，p＝500nm。
图5是本实施例的透射谱和圆二色性谱(其中CD为该结构对左旋圆偏光与右旋圆偏光透射率之差的绝对值)，图中实线为对右圆偏振光的透射谱，虚线为对左圆偏振光的透射谱，可以看出在1600nm和2200nm附近处透射谱存在显著的差异，对应的圆二色性分别达到0.49和0.45左右，具有优异的双尖峰响应。与实施例2相比，在同样的结构参数下，上下螺旋线采用不同的厚度也有助于进一步提高圆二色性。
实施例5
衬底1材料为折射率为1.52的玻璃，包覆层2材料为折射率为1.5的聚合物，螺旋线的材料为Au，下层螺线的参数设定为r1＝W1＝L1＝56nm，T1＝120nm，上层螺线的参数设定为r2＝W2＝L2＝35nm，T2＝200nm，上下螺旋线阵列的单元尺寸为p×p，p＝500nm。
图6是本实施例的透射谱和圆二色性谱(其中CD为该结构对左旋圆偏光与右旋圆偏光透射率之差的绝对值)，图中实线为对右圆偏振光的透射谱，虚线为对左圆偏振光的透射谱，可以看出在1600nm和2200nm附近处透射谱存在显著的差异，对应的圆二色性分别达到0.42和0.45左右，具有优异的双尖峰响应。与实施例4相比，在同样的结构参数下，银螺旋线的圆二色性要优于金螺旋线。
实施例6
衬底1材料为折射率为1.67的树脂材料，包覆层2材料为折射率为1.5的聚合物，螺旋线的材料为Ag，下层螺线的参数设定为r1＝W1＝L1＝56nm，T1＝120nm，上层螺线的参数设定为r2＝W2＝L2＝35nm，T2＝200nm，上下螺旋线阵列的单元尺寸为p×p，p＝500nm。
图6是本实施例的透射谱和圆二色性谱(其中CD为该结构对左旋圆偏光与右旋圆偏光透射率之差的绝对值)，图中实线为对右圆偏振光的透射谱，虚线为对左圆偏振光的透射谱，可以看出在1600nm和2200nm附近处透射谱存在显著的差异，对应的圆二色性分别达到0.50和0.46左右，具有优异的双尖峰响应。与实施例4相比，在同样的结构参数下，采用高折射率的树脂衬底材料的圆二色性要优于低折射率的玻璃衬底材料。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种双层螺旋线手性非对称平面超材料圆二色性器件，所述器件包括衬底(1)、位于所述衬底(1)上部的包覆层(2)和圆二色性作用层(3)，其特征在于，所述的衬底(1)材料的折射率范围为1～4，包覆层(2)材料的折射率范围为1～3，所述的圆二色性作用层(3)为一阵列结构，所述阵列结构由多个上下两层具有一定缩放系数的阿基米德螺旋线阵列单元构成，上、下层阿基米德螺旋线均为手性超材料，其中下层阿基米德螺旋线被所述包覆层(2)所包覆且包覆层(2)的厚度与下层阿基米德螺旋线的厚度一样，上层阿基米德螺旋线位于所述包覆层(2)上部，所述手性超材料为Ag或Au或Cu或Pt或Al或Cr；
所述下层阿基米德螺旋线的初始半径r1，线宽W1，螺距L1，厚度T1，螺旋周期数为1，且满足r1＝W1＝L1，上层阿基米德螺旋线的初始半径r2，线宽W2，螺距L2，厚度T2，螺旋周期数为1，且满足r2＝W2＝L2＝αr1，0.2<α<0.8。
2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述衬底(1)的材料为玻璃或树脂或硅。
3.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述包覆层(2)的材料为聚合物或玻璃或树脂。
4.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，r1＝30～70nm，T1＝80～220nm，T2＝80～220nm。
5.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述阿基米德螺旋线阵列单元的单元尺寸为p×p，p＝400～600nm。
6.根据权利要求1-5任一项所述的器件，其特征在于，所述衬底(1)的材料为折射率为1.52的玻璃，包覆层(2)的材料为折射率为1.5的聚合物。
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