CN110031140B - 一种基于光学信号的压力探测结构及其使用方法 - Google Patents

一种基于光学信号的压力探测结构及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光学微结构领域,具体涉及一种基于光学信号的压力探测结构及其使用方法,由下及上依次设有:衬底层、柔性材料层和金属微纳结构层,金属微纳结构层上设有不少于一个的通孔,通孔内填充有柔性物质,柔性物质上固定有一手性金属微纳结构,柔性物质的厚度大于金属微纳结构层的厚度,通过柔性物质和柔性材料层的设置,将手性金属微纳结构设于柔性材料之上,手性金属微纳结构与通孔之间具有一定的高度差,耦合主要集中在纵向方向上,而非水平方向上,为平面手性结构的设计提供了一种新的思路。

Description

一种基于光学信号的压力探测结构及其使用方法
技术领域
本发明属于光学微结构领域,具体涉及一种基于光学信号的压力探测结构及其使用方法。
背景技术
光学微结构可以实现光束偏振态调控、光场调控、表面增强拉曼散射等,在手性探测、痕迹探测方面具有重要应用。
光学手性微纳结构可以产生圆二色性和手性电磁场,是实现偏振态调控和手性探测的重要手段。圆二色性可调的光学手性结构在该领域具有重要应用。
现有光学手性微结构主要是通过在水平方向上调节微纳结构之间的距离实现圆二色性调控的,且调控精度差。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题,本发明提供了一种基于光学信号的压力探测结构及其使用方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现:
一种基于光学信号的压力探测结构,由下及上依次设有:衬底层、柔性材料层和金属微纳结构层;所述金属微纳结构层上设有不少于一个的通孔;所述通孔内填充有柔性物质;所述柔性物质上固定有一手性金属微纳结构;所述柔性物质的厚度大于所述金属微纳结构层的厚度。
进一步地,所述通孔为矩形通孔。
进一步地,所述手性金属微纳结构为Z形手性金属微纳结构。
进一步地,所述手性金属微纳结构由第一棒、第二棒和第三棒依次连接构成;所述第一棒和第二棒分别垂直连接与所述第二棒的两端;所述第一棒与所述第二棒平行;所述第一棒与所述矩形通孔的任一边平行。
进一步地,所述手性金属微纳结构由两个完全相同的三角金属结构构成;所述两个三角金属结构沿所述矩形通孔的中心点中心对称分布;所述两个三角金属结构分别有一条边与所述矩形通孔的任一边平行。
进一步地,所述两个三角金属结构分别位于所述矩形通孔的两对角区域。
进一步地,所述三角金属结构为等边三角金属结构。
进一步地,所述金属微纳结构层与所述手性金属微纳结构均由贵金属材料制成。
进一步地,一种基于光学信号的压力探测结构的使用方法,包括如下步骤:
步骤1,将所述一种基于光学信号的压力探测结构置于探测环境中,使得受力点为所述手性金属微纳结构的上表面,测得该状态下所述压力探测结构的圆二色信号为初始值;
步骤2,当有压力F施加于所述手性金属微纳结构表面时,所述手性金属微纳结构与所述通孔之间的垂直距离发生改变,所述手性金属微纳结构与所述金属微纳结构层之间的耦合程度也发生变化,产生不同于所述初始值的圆二色性信号测定值;
步骤3,通过判断所述测定值与所述初始值的差值,确定所述手性金属微纳结构的所受压力F是否为0;若差值=0,则无压力产生;若差值≠0,则有压力产生。
与现有技术相比,本发明的有益效果:
1、本发明一种基于光学信号的压力探测结构,由下及上依次设有:衬底层、柔性材料层和金属微纳结构层,金属微纳结构层上设有不少于一个的通孔,通孔内填充有柔性物质,柔性物质上固定有一手性金属微纳结构,柔性物质的厚度大于金属微纳结构层的厚度。通过柔性物质和柔性材料层的设置,将手性金属微纳结构设于柔性材料之上,手性金属微纳结构与通孔之间具有一定的高度差,耦合主要集中在纵向方向上,而非水平方向上,为平面手性结构的设计提供了一种新的思路。
2、本发明一种基于光学信号的压力探测结构的使用方法,通过在手性金属微纳结构上施加一压力F,随着压力F的改变,手性金属结构与所述通孔之间的垂直距离h也发生改变,在入射光的照射下,手性金属微纳结构与所述金属微纳结构层表面的等离激元发生变化,两者之间的耦合程度也发生变化,进而产生不同的圆二色性信号,利用不同状态下的圆二色性信号不同可以判断手性金属微纳结构是否受力,从而达到压力探测的目的。
3、本发明一种基于光学信号的压力探测结构的圆二色性调控方法不用重新制备微纳结构,成本低。
4、本发明一种基于光学信号的压力探测结构通过探测圆二色性信号的变化,实现了高灵敏度的力学信号探测,并且探测方法简单。
附图说明
图1是本发明基于光学信号的压力探测结构的结构剖面示意图。
图2是本发明基于光学信号的压力探测结构的手性金属微纳结构为Z形结构示意图。
图3是本发明基于光学信号的压力探测结构的手性金属微纳结构为三角金属结构的结构示意图。
图4是本发明基于光学信号的压力探测结构未受力时手性金属微纳结构电荷图。
图5是本发明基于光学信号的压力探测结构未受力的手性金属微纳结构光谱图。
图6是本发明基于光学信号的压力探测结构受力时手性金属微纳结构电荷图。
图7是本发明基于光学信号的压力探测结构受力的手性金属微纳结构光谱图。
图中:1、衬底层;2、柔性材料层;3、柔性物质;4、通孔;5、金属微纳结构层;6、手性金属微纳结构。
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1:
本实施例公开了一种基于光学信号的压力探测结构,如图1所示,由下及上依次设有:衬底层1、柔性材料层2和金属微纳结构层5,金属微纳结构层5上设有不少于一个的通孔4,通孔4内填充有柔性物质3,柔性物质3上固定有一手性金属微纳结构6,柔性物质3的厚度大于金属微纳结构层5的厚度。
通孔4为矩形通孔4。手性金属微纳结构6为Z形手性金属微纳结构6或者由两个完全相同的三角金属结构构成。
具体而言:
如图2所示,手性金属微纳结构6为Z形手性金属微纳结构6。具体的,手性金属微纳结构6由第一棒、第二棒和第三棒依次连接构成,第一棒和第二棒分别垂直连接与第二棒的两端,第一棒与第二棒平行,第一棒与矩形通孔4的任一边平行。
如图3所示,手性金属微纳结构6由两个完全相同的三角金属结构构成。具体的,两个三角金属结构沿矩形通孔4的中心点中心对称分布,两个三角金属结构分别有一条边与矩形通孔4的任一边平行,两个三角金属结构分别位于矩形通孔4的两对角区域。特别的,三角金属结构为等边三角金属结构。
柔性物质3为为聚酰亚胺材料,柔性材料层2为聚酰亚胺材料制成。金属微纳结构层5与手性金属微纳结构6均由贵金属材料制成,具体为金或者银材料。
本发明一种基于光学信号的压力探测结构,由下及上依次设有:衬底层1、柔性材料层2和金属微纳结构层5,金属微纳结构层5上设有不少于一个的通孔4,通孔4内填充有柔性物质3,柔性物质3上固定有一手性金属微纳结构6,柔性物质3的厚度大于金属微纳结构层5的厚度。通过柔性物质3和柔性材料层2的设置,将手性金属微纳结构6设于柔性材料之上,手性金属微纳结构6与通孔4之间具有一定的高度差,耦合主要集中在纵向方向上,而非水平方向上,为平面手性结构的设计提供了一种新的思路。
实施例2:
为进一步公开实施例1的一种基于光学信号的压力探测结构,本实施例公开了当手性金属微纳结构6在受理前后的吸收光谱和圆二色性光谱图。
当手性金属微纳结构6未受力时,如图4和图5所示,其电荷分布图如图4所示,在长波段,本实施例为λ=1410nm时,当左旋光(LCP)照射时,入射光照射到手性金属微纳结构6上产生负电荷,然后手性金属微纳结构6与金属微纳结构层5之间形成耦合激励在金属微纳结构层5上产生正电荷;当右旋光(RCP)照射时,产生与其相反的电荷分布,手性金属微纳结构6上产生正电荷,金属微纳结构层5上产生负电荷,从而产生强的CD信号,如图5所示,λ=1410nm时,A-=0.35991,A+=0.14757,CD=0.21234,产生较强的圆二色性。
在短波段,本实施例为λ=660nm时,电荷分布和耦合激励方式与长波段相同,从而产生强的CD信号,如图5所示,λ=660nm时,A-=0.23721,A+=0.37485,CD=-0.13764,产生较强的圆二色性。
当手性金属微纳结构6受力时,柔性物质3因受力而压缩,如图6和图7所示,其电荷分布图如图6所示,在长波段,本实施例为λ=1420nm时,当左旋光(LCP)照射时,入射光照射到手性金属微纳结构6上产生负电荷,然后手性金属微纳结构6与金属微纳结构层5之间形成耦合激励在金属微纳结构层5上产生正电荷;当右旋光(RCP)照射时,产生与其相反的电荷分布,手性金属微纳结构6上产生正电荷,金属微纳结构层5上产生负电荷,从而产生强的CD信号,如图7所示,λ=1420nm时,A-=0.30778
,A+=0.14634,CD=0.16144,产生较强的圆二色性。
在短波段,本实施例为λ=670nm时,电荷分布和耦合激励方式与长波段相同,从而产生强的CD信号,如图5所示,λ=670nm时,A-=0.15272,A+=0.39582,CD=-0.2431,产生较强的圆二色性。
实施例3:
基于实施例1和实施例2公开的一种基于光学信号的压力探测结构,本实施例公开了一种基于光学信号的压力探测结构的使用方法,具体包括如下步骤:
步骤1,将所述一种基于光学信号的压力探测结构置于探测环境中,使得受力点为所述手性金属微纳结构6的上表面,测得该状态下所述压力探测结构的圆二色信号为初始值;
步骤2,当有压力F施加于所述手性金属微纳结构6表面时,所述手性金属微纳结构6与所述通孔4之间的垂直距离发生改变,所述手性金属微纳结构6与所述金属微纳结构层5之间的耦合程度也发生变化,产生不同于所述初始值的圆二色性信号测定值;
步骤3,通过判断所述测定值与所述初始值的差值,确定所述手性金属微纳结构6的所受压力F是否为0;若差值=0,则无压力产生;若差值≠0,则有压力产生。
具体而言:通过在手性金属微纳结构6上施加一压力F,随着压力F的改变,手性金属结构与所述通孔4之间的垂直距离h也发生改变,在入射光的照射下,手性金属微纳结构6与所述金属微纳结构层5表面的等离激元发生变化,两者之间的耦合程度也发生变化,进而产生不同的圆二色性信号,利用不同状态下的圆二色性信号不同可以判断手性金属微纳结构6是否受力,从而达到压力探测的目的。
而且本实施例一种基于光学信号的压力探测结构的圆二色性调控方法不用重新制备微纳结构,成本低。通过探测圆二色性信号的变化,实现了高灵敏度的力学信号探测,并且探测方法简单。
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 (9)

1.一种基于光学信号的压力探测结构,其特征在于,由下及上依次设有:衬底层、柔性材料层和金属微纳结构层;
所述金属微纳结构层上设有不少于一个的通孔;所述通孔内填充有柔性物质;
所述柔性物质上固定有一手性金属微纳结构;所述柔性物质的厚度大于所述金属微纳结构层的厚度;
其中,所述光学信号为圆二色性信号。
2.根据权利要求 1 所述的基于光学信号的压力探测结构,其特征在于, 所述通孔为矩形通孔。
3.根据权利要求 1 所述的基于光学信号的压力探测结构,其特征在于, 所述手性金属微纳结构为 Z 形手性金属微纳结构。
4.根据权利要求 3 所述的基于光学信号的压力探测结构,其特征在于, 所述手性金属微纳结构由第一棒、第二棒和第三棒依次连接构成;所述第 一棒和第二棒分别垂直连接于所述第三棒的两端;所述第一棒与所述第二 棒平行;所述第一棒与矩形通孔的任一边平行。
5.根据权利要求 4 所述的基于光学信号的压力探测结构,其特征在于, 所述手性金属微纳结构由两个完全相同的三角金属结构构成;
所述两个三角金属结构沿所述矩形通孔的中心点中心对称分布; 所述两个三角金属结构分别有一条边与矩形通孔的任一边平行。
6.根据权利要求 5 所述的基于光学信号的压力探测结构,其特征在于, 所述两个三角金属结构分别位于所述矩形通孔的两对角区域。
7.根据权利要求 6 所述的基于光学信号的压力探测结构,其特征在于, 所述三角金属结构为等边三角金属结构。
8.根据权利要求 1-7 中任一所述的基于光学信号的压力探测结构,其特征在于,所述金属微纳结构层与所述手性金属微纳结构均由贵金属材料制成。
9.根据权利要求 1-7 中任一所述的基于光学信号的压力探测结构的使用方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤 1,将所述一种基于光学信号的压力探测结构置于探测环境中,使得受力点为所述手性金属微纳结构的上表面,测得该状态下所述压力探测结构的圆二色信号为初始值;
步骤 2,当有压力 F 施加于所述手性金属微纳结构表面时,所述手性金属微纳结构与所述通孔之间的垂直距离发生改变,所述手性金属微纳结构与所述金属微纳结构层之间的耦合程度也发生变化,产生不同于所述初始值的圆二色性信号测定值;
步骤 3,通过判断所述测定值与所述初始值的差值,确定所述手性金属微纳结构的所受压力 F 是否为 0;若差值=0,则无压力产生;若差值≠0, 则有压力产生。
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