CN108957771A - 双结构组合型金属纳米薄膜手性光学器件 - Google Patents

双结构组合型金属纳米薄膜手性光学器件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双结构组合型金属纳米薄膜手性光学器件，包括：基底和位于基底上的手性结构二维阵列；手性结构二维阵列包括多个手性结构单元；手性结构单元包括金属膜、开设在所述金属膜上的“C”型缝和“一”字缝。本发明实施例的双结构组合型金属纳米薄膜手性光学器件，采用由多个双结构金属纳米薄膜手性结构单元组成的手性结构二维阵列，手性结构单元在单个“C”型缝的基础结构之上又添加一个“一”字缝，在“一”字缝附近产生出更多的磁偶极子，相比现有的具有单结构手性结构单元组成的手性结构二维阵列的手性光学器件，显著增强了圆二色性。

Description

双结构组合型金属纳米薄膜手性光学器件
技术领域
本发明涉及光学领域，特别涉及一种双结构组合型金属纳米薄膜手性光学器件。
背景技术
手性是指结构与其镜像不能重合的性质，手性结构普遍存在于大自然中，例如蛋白质、糖类化及DNA等生物大分子，手性在生物化学和生命进化中起着关键的作用，因此对手性分子的手性分析至关重要。
目前分子手性分析最直接有效的技术是圆二色谱，该技术的原理是手性分子对左右圆偏振光的吸收不同。当单色左旋与右旋的圆偏振光照射某一种手性样品时，该手性样品对左右旋圆偏振光的吸收不同，这种手性分子在不同波长下吸收差值称为圆二色谱。
手性根据其结构特点可以分为：内在手性和外在手性。内在手性即结构本身具有的手性，外在手性指结构与入射光一起构成的手性。
在手性分子非对称性的研究中，当左旋圆偏振光和右旋圆偏振光入射时，手性材料会呈现出不同的有效折射率且传播速度也不同。当超材料有极强的手性时，甚至会呈现出负折射率，负折射率材料也被称为手性超材料。利用负折射率材料可以对物体进行隐身，实现突破衍射极限的亚波长分辨率成像等等。这对于物理学、工程学、光学和材料学等领域的研究有可能产生重大的影响。因此对于手性结构的研究成为了电磁学和光学领域最前沿的研究课题。现有技术对手性结构研究中，通过设计二维的金属薄膜手性结构已经可以实现对光束偏振特性的调制或者用来检测手性物质的圆二色谱，但是当被检测信号本身比较微弱时，得到的圆二色谱信号不明显，即检测效果不太好。
发明内容
因此，为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本发明提出一种双结构组合型金属纳米薄膜手性光学器件。
具体地，本发明一个实施例提出的一种双结构组合型金属纳米薄膜手性光学器件，包括：
基底和位于基底上的手性结构二维阵列；
手性结构二维阵列包括多个手性结构单元；
手性结构单元包括金属膜、开设在所述金属膜上的“C”型缝和“一”字缝。
在本发明的一个实施例中，手性结构二维阵列为方形阵列，若干手性结构单元沿横向排列的数目和沿纵向排列的数目均至少为500个。
在本发明的一个实施例中，手性结构二维阵列为圆形阵列，若干手性结构单元沿径向排列的数目至少为500个。
在本发明的一个实施例中，“一”字缝位于“C”型缝的一侧，且水平放置。
在本发明的一个实施例中，“一”字缝位于与“C”型缝的下端平齐的第一位置。
在本发明的一个实施例中，“C”型缝的弧度为3π/4～5π/4，外圆半径为100nm～200nm，内圆半径为80nm～180nm，宽度为20nm～50nm。
在本发明的一个实施例中，“C”型缝的方位角为-π/6～π/6。
在本发明的一个实施例中，“一”字缝的长度为100nm～300nm，宽度为20nm～50nm。
在本发明的一个实施例中，“C”型缝与“一”字缝的间距为20nm～50nm。
在本发明的一个实施例中，金属膜的材料为金，厚度为20nm～100nm。
基于此，本发明具备如下优点：
本发明实施例的双结构组合型金属纳米薄膜手性光学器件，采用由多个双结构金属纳米薄膜手性结构单元组成的手性结构二维阵列，在“一”字缝附近产生出更多的磁偶极子，相比现有的具有单结构手性结构单元组成的手性结构二维阵列的手性光学器件，显著增强了圆二色性。
通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。
附图说明
下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
图1为本发明实施例提供的一种双结构组合型金属纳米薄膜手性光学器件的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的手性结构单元的结构示意图；
图3为本发明另一实施例提供的手性结构单元的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的手性结构单元产生圆二色性的原理示意图；
图5(a)和图5(b)为现有的手性结构单元与本发明实施例提供的手性结构单元的结构对比图；
图6为现有的手性结构单元与本发明实施例提供的手性结构单元产生的圆二色谱的对比图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种双结构组合型金属纳米薄膜手性光学器件的结构示意图。该光学器件包括：基底11和手性结构二维阵列12。
基底11的材料采用对所用光波段具有高透过率的材料，如二氧化硅、石英等，厚度为200μm～500μm。
手性结构二维阵列12包括多个均匀排列的手性结构单元13，手性结构二维阵列12中，手性结构单元13沿横向排列的第一周期为Px，沿纵向排列的第二周期为Py。手性结构二维阵列12的形状可以是圆形阵列、方形阵列或其他形状的阵列，具体根据制备工艺、所用材料及所应用的光学系统中光束的形状特征来确定。手性结构二维阵列12的大小具体根据入射光斑的大小来确定，若为方形阵列，则横向和纵向排列的手性结构单元13的数目均至少为500个，若为圆形阵列，则直径方向排列的手性结构单元13的数目均至少为500个。
在本发明的一个实施例中，该双结构组合型金属纳米薄膜手性光学器件的基底11采用二氧化硅，厚度为200μm；手性结构二维阵列12为方形阵列，横向和纵向排列的手性结构单元13的数目均为1000个，沿横向排列的第一周期等于沿纵向排列的第二周期，为Px＝Py＝500nm。
请参见图2，图2为本发明实施例提供的手性结构单元的结构示意图。该手性结构单元13包括：金属膜21、开设在所述金属膜上的“C”型缝22和“一”字缝23。“C”型缝22和“一”字缝23穿透金属膜上下表面，在金属膜上形成通孔。
金属膜21的形状为方形，具有第一边长和第二边长，第一边长的长度大小等于手性结构二维阵列12的第一周期Px，第二边长的长度等于手性结构二维阵列12的第二周期Py，第一边长和第二边长的长度范围均为400nm～1000nm。金属膜的厚度为T，范围为20nm～100nm。金属膜21的材料采用良导体，如金、银、铜、铝等贵金属。
“C”型缝22的形状为圆环的一部分，开口向上设置，具有的弧度为3π/4～5π/4，外圆半径为R，大小范围为100nm～200nm，内圆半径为r，大小范围为80nm～180nm，“C”型缝22的宽度为w，大小范围为20nm～50nm。用“C”型缝22的对称轴l与Y轴的夹角θ表示“C”型缝22的方位角，则方位角θ的范围为-π/6～π/6。
“一”字缝23设置于“C”型缝22的一侧，水平放置。“一”字缝可设置于与“C”型缝的下端平齐的第一位置，或设置于与“C”型缝的上端平齐的第二位置，或设置于第一位置与第二位置之间的任一位置。“一”字缝23的长度l1为100nm～300nm，与“C”型缝22具有相同的宽度为w，大小范围为20nm～50nm。
“C”型缝22和“一”字缝之间的间隔为d，范围为20nm～50nm。
在本发明的一个实施例中，金属膜21采用金材料，第一边长和第二边长相等，为Px＝Py＝500nm；金属膜的厚度为T＝30nm；“C”型缝22的弧度为π，外圆半径为R＝140nm，内圆半径为r＝100nm，宽度为w＝40nm，方位角为θ＝0°；“一”字缝设置于“C”型缝右侧的第一位置，长度为l1＝180nm，宽度与“C”型缝宽度相等，为w＝40nm；“C”型缝和“一”字缝之间的间隔为d＝20nm。
参见图3，图3为本发明另一实施例提供的手性结构单元的结构示意图。该手性结构单元的“C”型缝的方位角为θ＝30°。
请参见图4，图4为本发明实施例提供的手性结构单元产生圆二色性的原理示意图。当一束左旋偏振光(left circularly polarized，LCP)从该手性结构单元正面入射，经过该手性结构单元后，接收到的左旋偏振光的透射率为T--，当一束右旋偏振光(rightcircularly polarized，RCP)从该手性结构单元正面入射，经过该手性结构单元后，接收到的右旋偏振光的透射率为T++，其中下标“--”表示为左旋偏振光，“++”表示为右旋偏振光，则该手性结构单元的圆二色性可以表示为：
CD＝T++-T-- (1)
左旋偏振光和右旋偏振光经过手性结构单元后的透射率是不相同的，即T++≠T--，因此，CD的大小代表了手性结构单元的圆二色性的强弱。
请参见图5，图5为现有的手性结构单元与本发明实施例提供的手性结构单元的结构对比图。图5(a)是现有技术的手性结构单元，其包含单个“C”型缝，图5(b)是本发明实施例的手性结构单元，其包含“C”型缝和“一”字缝。
请一并参见图6，图6为现有的手性结构单元与本发明实施例提供的手性结构单元产生的圆二色谱的对比图。使一束左旋圆偏振光在Z-X平面内，沿与X轴负方向和Z轴负方向夹角均为45度的方向斜入射到手性结构单元上，在手性结构单元的出射面一侧检测得到左旋圆偏振光的透射率T--；再使一束右旋圆偏振光在Z-X平面内，沿与X轴负方向和Z轴负方向夹角均为45度的方向斜入射到手性结构单元上，在手性结构单元的出射面一侧检测得到右旋圆偏振光的透射率T++；根据公式(1)便可计算得到的该手性结构单元产生的圆二色谱。
图6中，方点曲线表示现有的只具有单个“C”型缝的手性结构单元产生的圆二色谱，圆点曲线表示本发明实施例的具有“C”型缝加“一”字缝的手性结构单元产生的圆二色谱。可以看出，只具有单个“C”型缝的手性结构产生的圆二色谱在波长λ1＝740nm、λ2＝920nm、λ3＝1340nm附近出现CD信号，信号大小依次为5.5％、1.4％、13.3％，而具有“C”型缝加“一”字缝的手性结构产生的圆二色谱在波长λ1＝740nm、λ2＝840nm、λ3＝890nm、λ4＝910nm、λ5＝1360nm附近出现CD信号，信号大小依次为6.3％、1.9％、11％、1.6％、12.5％。说明在“C”型缝一侧添加“一”字缝后，产生的CD信号得到了显著增强。其原因是“一”字缝的添加改变了“C”型缝周围金属薄膜上的电流流向，在“一”字缝处出现了磁偶极子，使圆二色性得到了增强。
综上所述，本发明实施例的双结构组合型金属纳米薄膜手性光学器件，采用由多个双结构金属纳米薄膜手性结构单元组成的手性结构二维阵列，手性结构单元在单个“C”型缝的基础结构之上又添加一个“一”字缝，在“一”字缝附近产生出更多的磁偶极子，相比现有的具有单结构手性结构单元组成的手性结构二维阵列的手性光学器件，显著增强了圆二色性。
综上所述，本文中应用了具体个例对本发明的双结构组合型金属纳米薄膜手性光学器件进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。

Claims (10)

1.一种双结构组合型金属纳米薄膜手性光学器件，其特征在于，包括：基底和位于所述基底上的手性结构二维阵列；
所述手性结构二维阵列包括若干手性结构单元；
所述手性结构单元包括金属膜、开设在所述金属膜上的“C”型缝和“一”字缝。
2.根据权利要求1所述的双结构组合型金属纳米薄膜手性光学器件，其特征在于，所述手性结构二维阵列为方形阵列，所述若干手性结构单元沿横向排列的数目和沿纵向排列的数目均至少为500个。
3.根据权利要求1所述的双结构组合型金属纳米薄膜手性光学器件，其特征在于，所述手性结构二维阵列为圆形阵列，所述若干手性结构单元沿径向排列的数目至少为500个。
4.根据权利要求1所述的双结构组合型金属纳米薄膜手性光学器件，其特征在于，所述“一”字缝位于所述“C”型缝的一侧，且水平放置。
5.根据权利要求4所述的双结构组合型金属纳米薄膜手性光学器件，其特征在于，所述“一”字缝位于与所述“C”型缝的下端平齐的第一位置。
6.根据权利要求1所述的双结构组合型金属纳米薄膜手性光学器件，其特征在于，所述“C”型缝的弧度为3π/4～5π/4，外圆半径为100nm～200nm，内圆半径为80nm～180nm，宽度为20nm～50nm。
7.根据权利要求1所述的双结构组合型金属纳米薄膜手性光学器件，其特征在于，所述“C”型缝的方位角为-π/6～π/6。
8.根据权利要求1所述的双结构组合型金属纳米薄膜手性光学器件，其特征在于，所述“一”字缝的长度为100nm～300nm，宽度为20nm～50nm。
9.根据权利要求1所述的双结构组合型金属纳米薄膜手性光学器件，其特征在于，所述“C”型缝与所述“一”字缝的间距为20nm～50nm。
10.根据权利要求1所述的双结构组合型金属纳米薄膜手性光学器件，其特征在于，所述金属膜的材料为金，厚度为20nm～100nm。
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