CN109187363B - 一种手性光学器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种手性光学器件，包括：基底和位于所述基底上的金属膜；其中，所述金属膜上设置有若干个贯穿于所述金属膜的上下表面且呈阵列排布的手性结构单元，所述手性结构单元包括：相邻设置的基础U型缝和增强C型缝。本发明的手性光学器件通过一种具有基础U型缝和增强C型缝的金属膜，使该手性光学器件的圆二色性得到了显著增强。

Description

一种手性光学器件
技术领域
本发明属于光学器件领域，具体涉及一种手性光学器件。
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。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。
圆二色性(Circular Dichroism，CD)是研究手性化合物一个十分重要的手段。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
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种手性光学器件。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供了一种手性光学器件，包括：基底和位于所述基底上的金属膜；其中，
所述金属膜上设置有若干个贯穿于所述金属膜的上下表面且呈阵列排布的手性结构单元，所述手性结构单元包括：相邻设置的基础U型缝和增强C型缝。
在本发明的一个实施例中，所述基础U型缝和所述增强C型缝底部对齐，且所述基础U型缝和所述增强C型缝的高度相同。
在本发明的一个实施例中，所述手性结构单元在所述金属膜的横向和纵向上都均匀排列。
在本发明的一个实施例中，所述手性结构单元沿水平方向排列的第一周期的取值范围为400～1000nm。
在本发明的一个实施例中，所述手性结构单元沿垂直方向排列的第二周期的取值范围为400～1000nm。
在本发明的一个实施例中，所述手性结构单元沿水平方向排列的第一周期和沿垂直方向排列的第二周期长度相同。
在本发明的一个实施例中，所述基底的材料为透光材料。
在本发明的一个实施例中，所述金属膜的厚度范围为20nm～100nm。
在本发明的一个实施例中，所述基础U型缝与所述增强C型缝的间隔距离取值范围为30nm～50nm。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的手性光学器件通过一种具有基础U型缝和增强C型缝的金属膜，使该手性光学器件的圆二色性得到了显著增强。
附图说明
图1为本发明实施例的一种手性光学器件的立体结构示意图；
图2为本发明实施例的一种手性光学器件的金属膜的结构示意图；
图3为本发明实施例的一种手性光学器件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一种手性光学器件产生圆二色性的原理示意图；
图5a为本发明实施例提供的没有增强C型缝的手性结构单元的结构对比图；
图5b为本发明实施例提供的具有增强C型缝的手性结构单元的结构对比图；
图6为本发明实施例提供的具有增强C型缝的手性结构单元圆二色性透射光谱图；
图7为本发明实施例提供的手性结构单元圆二色谱对比图。
具体实施方式
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。
实施例一
请参见图1和图2，图1为本发明实施例的一种手性光学器件的立体结构示意图，图2为本发明实施例的一种手性光学器件的金属膜的结构示意图；该手性光学器件包括：基底11、位于基底11上的金属膜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。
所述金属膜12上设置有若干个贯穿于所述金属膜12的上下表面且呈阵列排布的手性结构单元13，所述手性结构单元13包括：相邻设置的基础U型缝22和增强C型缝23。
金属膜12中，手性结构单元13在金属膜12的横向和纵向上都均匀排列，手性结构单元13沿水平方向的排列的第一周期为Px，沿竖直方向的排列的第二周期为Py。第一周期为Px和第二周期为Py长度范围均为400～1000nm。Px与Py可以相等，也可以不等。
请参见图3，图3为本发明实施例的一种手性光学器件的手性结构单元的结构示意图。该手性结构单元包括金属膜21、位于金属膜21上的基础U型缝22、位于金属膜21上的增强C型缝23。
其中，基础U型缝和增强C型缝底部对齐，且基础U型缝和增强C型缝的高度相同。基础U型缝和增强C型缝的高度可以相同也可以不同。
金属膜21的形状为矩形，优选地，金属膜21的形状为正方形。金属膜21矩形的两条边长定义为第一边长和第二边长，第一边长为第一周期的整数倍，第二边长为第二周期的整数倍；
金属膜21的厚度范围为20nm～100nm，金属膜21的材料采用良导体，包括金、银、铜、铝等贵金属。
基础U型缝22包括三个臂，分别为第一左臂、右臂、第一下臂，其长度依次为l1、l2、l3，第一左臂、右臂、第一下臂的长度范围均为100nm～300nm，第一左臂、右臂、第一下臂的长度可以相等，也可以不等；第一左臂、右臂、第一下臂具有相同的宽度w1，w1大小范围为30nm～50nm；基础U型缝22的厚度范围为20nm～100nm。
增强C形缝23包括三个臂，分别为上臂、第二下臂、第二左臂，其长度依次为l4、l5、l6，上臂、第二下臂、第二左臂的长度范围均为100nm～300nm，上臂、第二下臂、第二左臂的长度可以相等，也可以不等；上臂、第二下臂、第二左臂具有相同的宽度w2，大小范围为30nm～50nm，w1可以与w2相同，也可以不同；增强C型缝23的厚度范围为20nm～100nm。
基础U型缝22与增强C型缝23在手性结构单元13上横向并列，第一下臂的第二下臂位于同一直线上，基础U型缝22与增强C型缝23之间的间隔为第一右臂与第二左臂之间的距离，间隔为d，间隔d与宽度w1、w2的范围相近，为30nm～50nm，d可以与w1、w2相同，也可以不同。
优选的，金属膜21采用金材料，手性结构单元13的第一周期Px和第二周期Py长度均为500nm，金属膜21的厚度为30nm；基础U型缝的第一左臂、右臂、第一下臂的长度l1、l2、l3相等，即l1＝l2＝l3＝200nm，宽度w1＝40nm，厚度为30nm；增强C型缝的上臂、第二下臂的长度l4、l5相等，即l4＝l5＝180nm，第二左臂的长度l6与基础U型缝的右臂长度l2相等l6＝l2＝200nm，即宽度w1＝40nm，厚度为30nm；基础U型缝22与增强C型缝23之间的间隔d为40nm。
本发明的手性光学器件通过一种具有基础U型缝和增强C型缝的金属膜，使该手性光学器件的圆二色性得到了显著增强。
实施例二
请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种手性光学器件产生圆二色性的原理示意图。当一束左旋偏振光(left circularly polarized，LCP)从以一个入射角度从该手性光学器件正面入射时，经过该手性光学器件后，接收到的左旋偏振光的透射率为T--，当一束右旋偏振光(right circularly polarized，RCP)以相同入射角度从该手性光学器件正面入射，经过该手性光学器件后，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--
左旋偏振光和右旋偏振光经过手性光学器件后的透射率是不相同的，即T++≠T--，因此，CD的大小代表了手性光学器件的圆二色性的强弱。
请参见图5a和图5b，图5a为本发明实施例提供的没有增强C型缝的手性结构单元的结构对比图；图5b为本发明实施例提供的具有增强C型缝的手性结构单元的结构对比图；其中，金属膜21采用金材料，金属膜21的第一边长、第二边长、第一周期、第二周期均相等，长度均为500nm，金属膜21的厚度为30nm；基础U型缝的第一左臂、右臂、第一下臂的长度l1、l2、l3相等，即l1＝l2＝l3＝200nm，宽度w1＝40nm，厚度为30nm。图5b中，增强C型缝的上臂、第二下臂的长度l4、l5相等，即l4＝l5＝180nm，第二左臂的长度l6与基础U型缝的右臂长度l2相等l6＝l2＝200nm，即宽度w1＝40nm，厚度为30nm；基础U型缝22与增强C型缝23之间的间隔d为40nm。
请参见图6，图6为本发明实施例提供的具有增强C型缝的手性结构单元圆二色性透射光谱图；其中，“T--”表示为左旋偏振光，“T++”表示为右旋偏振光；圆偏振光在z-x平面内，让左、右旋光均沿着x和z负方向以45°角倾斜入射到添加增强C型缝的手性结构单元上，得到图6；
请参见图7，图7为本发明实施例提供的手性结构单元圆二色谱对比图，其中，圆偏振光在z-x平面内，让左、右旋光均沿着x和z负方向以45°角倾斜入射到未添加增强C型缝的手性结构单元(如图5a所示)和添加增强C型缝的手性结构单元(如图5b所示)上，得到图7。由图7可见，在未添加增强C型缝的手性结构单元的CD谱上，波长λ＝860nm处CD为7.4％，在添加增强C型缝的手性结构单元的CD谱上波长λ＝860nm处CD为16.5％。这是由于，在添加增强C型缝之前，手性结构单元只产生电偶极子，增强C型缝的添加改变了原来基础U型缝手性结构单元上的电流流向，在增强C型缝处出现了磁偶极子，由于电偶极子和磁偶极子的共同作用，CD信号得到了显著增强。
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)

1.一种手性光学器件，其特征在于，包括：基底和位于所述基底上的金属膜；其中，
所述金属膜上设置有若干个贯穿于所述金属膜的上下表面且呈阵列排布的手性结构单元，所述手性结构单元包括：相邻设置的基础U型缝和增强C型缝；
其中，所述基础U型缝和所述增强C型缝底部对齐，且所述基础U型缝和所述增强C型缝的高度相同；
所述手性结构单元在所述金属膜的横向和纵向上都均匀排列。
2.如权利要求1所述的手性光学器件，其特征在于，所述手性结构单元沿水平方向排列的第一周期的取值范围为400～1000nm。
3.如权利要求1所述的手性光学器件，其特征在于，所述手性结构单元沿垂直方向排列的第二周期的取值范围为400～1000nm。
4.如权利要求1所述的手性光学器件，其特征在于，所述手性结构单元沿水平方向排列的第一周期和沿垂直方向排列的第二周期长度相同。
5.如权利要求1所述的手性光学器件，其特征在于，所述基底的材料为透光材料。
6.如权利要求1所述的手性光学器件，其特征在于，所述金属膜的厚度取值范围为20nm～100nm。
7.如权利要求1所述的手性光学器件，其特征在于，所述基础U型缝与所述增强C型缝的间隔距离取值范围为30nm～50nm。
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