CN110160997B - 一种实现手性近场的波导结构及其手性检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微纳光学技术领域，具体涉及一种实现手性近场的波导结构及其手性检测方法，包括ITO衬底、两个完全相同的直形波导和一弯曲波导，直形波导由ITO衬底上表面的矩形凹槽构成，弯曲波导由ITO衬底上表面的弧形凹槽构成，两个直形波导分别连接于弯曲波导的两端，直形波导和一弯曲波导均位于同一平面，弯曲波导的弧度为四分之一圆弧。本发明波导结构尺寸较大，结构简单，对结构的精度和工艺要求较低，通过调节输入端的输入模式，从而调控波导结构内部的手性近场分布。并且可以通过输出端的在不同状态下的透射率差值确定分子的手性，调节方便简单，实验便捷，节省成本。

Description

一种实现手性近场的波导结构及其手性检测方法
技术领域
本发明属于微纳光学技术领域，具体涉及一种实现手性近场的波导结构及其手性检测方法。
背景技术
手性（Chirality）在自然界中几乎无处不在，它遍及生命化学等现代科学研究的各个领域。对于地球上大部分生物而言，手性药物分子的构型不同往往具有不同的生理毒性和活性，因此对手性信号的检测及手性分子的识别和分离是生物制药、有机化学、高分子材料及药物化学等领域的研究重点和热点。
然而自然界手性分子对入射光的响应非常弱且其响应波段局限于紫外光波段，这就极大地限制了它的有效应用。随着纳米技术和表面等离激元科学的发展，科学家们研究发现利用表面等离激元的局域增强效应可以大大地增强圆二色响应及产生超手性场，并能将响应拓展到可见光及近红外波段。表面等离激元共振对金属纳米结构的形状、尺寸、材料及所处环境非常敏感，从而具有很强的可调谐性。因此基于表面等离激元手性响应的研究倍受研究者们的重视。
但是传统的手性金属微纳结构，结构复杂，尺寸小，对结构的精度和工艺要求较高，而且检测手段比较复杂，极大的限制了手性的研究。
发明内容
为了解决现有技术中存在的传统手性金属微纳结构的尺寸下，结构复杂，尺寸小，对结构的精度和工艺要求较高，而且检测手段比较复杂的问题。本发明提供了一种实现手性近场的波导结构及其制备方法，为手性近场的实现提供了新的方向。本发明波导结构尺寸较大，结构简单，对结构的精度和工艺要求较低，通过在输入端输入一种表面等离激元模式，即不同的有效折射率n eff ，在波导结构的两个直形波导和弯曲波导里产生很强的周期性排布的手性近场。输入端输入不同的输入模式，波导结构内部的手性近场排布的周期也会随之发生规律性改变，因此，可以通过调节输入端的输入模式，从而调控波导结构内部的手性近场分布。并且可以通过输出端的在不同状态下的透射率差值确定分子的手性，调节方便简单，实验便捷，节省成本。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种实现手性近场的波导结构，包括ITO衬底，两个完全相同的直形波导和一弯曲波导；所述两个直形波导和一弯曲波导嵌于所述ITO衬底的上表面；所述两个直形波导分别连接于所述弯曲波导的两端；所述直形波导和一弯曲波导均位于同一平面；所述弯曲波导的弧度为四分之一圆弧。
进一步地，所述直形波导和所述弯曲波导的厚度均为800~1200nm；所述弯曲波导为矩形凹槽结构，所述直形波导为矩形；所述直形波导内部中空；所述直形波导宽度为60nm~140nm；所述弯曲波导外径c 1=380nm~420nm，内径c 2=280nm~320nm。
进一步地，所述波导结构具有两个端口，分别为第一端口和第二端口，所述第一端口与所述第二端口完全相同；所述第一端口为输入端，所述第二端口为输出端；所述输入端的输入模式的有效折射率n eff =1.7617-0.0132i。
进一步地，实现手性近场的波导结构的手性检测方法，包括如下步骤：
步骤1：将待测的生物分子溶液用注入在所述波导结构的上表面；
步骤2：在所述第一端口输入一个有效折射率n eff ；
步骤3：然后在所述第二端口，检测并记录该状态下的透射率T 1；
步骤4：制备实现手性近场的波导结构的对映体结构；
步骤5：将待测的生物分子溶液用注入在对映体波导结构的上表面；
步骤6：在对映体波导的输出端口处，检测并记录该状态下的透射率T 2；
步骤7：根据两种不同状态下的透射率的差值确定分子的手性为左手性还是右手性。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.本发明提供了一种实现手性近场的波导结构，为手性近场的实现提供了新的方向。本发明波导结构尺寸较大，结构简单，对结构的精度和工艺要求较低，通过在输入端输入一种表面等离激元模式，即不同的有效折射率n eff ，在波导结构的两个直形波导和弯曲波导里产生很强的周期性排布的手性近场。输入端输入不同的输入模式，波导结构内部的手性近场排布的周期也会随之发生规律性改变，因此，可以通过调节输入端的输入模式，从而调控波导结构内部的手性近场分布。并且可以通过输出端的在不同状态下的透射率差值确定分子的手性，调节方便简单，实验便捷，节省成本。
2.本申请实施例通过提供了一种实现手性近场的波导结构，通过入射光在波导结构内的SPPs传播路径左右的不对称，从而产生手性近场，为实现手性近场提供了新的方向。
3.本申请实施例通过提供了一种实现手性近场的波导结构，当入射光照射到金属表面时会导致与 SPPs 波矢匹配的入射波部分转换为 SPPs 波进行传播，而本发明在电磁波在波导结构输入端口处可以直接耦合进入波导内形成 SPPs 传播模式，不会产生由于金属粗糙表面对电磁波产生衍射的影响。
4.本申请实施例通过提供了一种实现手性近场的波导结构，通过在波导结构的上表面注入手性分子检测其手性，从而避免了由于检测腔体窄小，生物分子不易注入的问题。
附图说明
图1是本发明一种实现手性近场的波导结构示意图。
图2是实施例1中传统直波导结构的手性近场分布图。
图3是本发明一种实现手性近场的波导结构的手性近场分布示意图。
图4是本发明一种实现手性近场的波导结构沿着传播边界和竖直方向上手性近场的值大小分布。
图5是本发明一种实现手性近场的波导结构手性近场分布随直形波导宽度的变化。
图6是本发明一种实现手性近场的波导结构对映体结构上增加手性分子时的透射差异随直形波导宽度的变化的手性近场分布图。
图中：1、ITO衬底；2、直形波导；21、第一端口；22、第二端口；3、弯曲波导。
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：
如图1所示，本实施例提供了一种实现手性近场的波导结构，包括ITO衬底1、两个完全相同的直形波导2和一弯曲波导3；直形波导2由ITO衬底1上表面的矩形凹槽构成；弯曲波导3由ITO衬底1上表面的弧形凹槽构成；两个直形波导2分别连接于弯曲波导3的两端；直形波导2和一弯曲波导3均位于同一平面；弯曲波导3的弧度为四分之一圆弧。
具体而言：
本实施例中的一种实现手性近场的波导结构为金属-介质-金属这个有缩写，简写为MIM。波导结构具有两个端口，分别为第一端口21和第二端口22，第一端口21与第二端口22完全相同；第一端口21为输入端，第二端口22为输出端；因为第一端口21与第二端口22完全相同，也可将第二端口22作为输入端，第一端口21作为输出端。
输入端的输入模式的有效折射率n eff =1.7617-0.0132i。
本发明提供了一种实现手性近场的波导结构，为手性近场的实现提供了新的方向。本发明波导结构尺寸较大，结构简单，对结构的精度和工艺要求较低，通过在输入端输入一种表面等离激元模式，即不同的有效折射率n eff ，在波导结构的两个直形波导2和弯曲波导3里产生很强的周期性排布的手性近场。输入端输入不同的输入模式，波导结构内部的手性近场排布的周期也会随之发生规律性改变，因此，可以通过调节输入端的输入模式，从而调控波导结构内部的手性近场分布。并且可以通过输出端的在不同状态下的透射率差值确定分子的手性，调节方便简单，对于波导的信号检测装置已经非常成熟，便与检测，节省成本。
本申请实施例通过提供了一种实现手性近场的波导结构，通过入射光在波导结构内的SPPs传播路径左右的不对称，从而产生手性近场，为实现手性近场提供了新的方向。
对比图2传统直波导的手性场，和图3本实施例一种实现手性近场的波导结构，在输入一种表面等离激元模式的情况下，在其波导的Z方向上的两端，即本实施例波导结构厚度方向的两端。产生了很强的强周期性排布的手性近场。而直的波导并没有产生手性近场。
实施例2：
为进一步说明实施例1一种实现手性近场的波导结构的手性近场的分布，如图3所示，本实施例公开了其z=480nm，长度y=200nm的手性场分布图，如图4所示，本实施例公开了其z=480nm，z=-480nm和y=200nm的直形波导2的内壁和外壁的手性近场值的谱线图。
如图1所示，本实施例直形波导2和弯曲波导3的厚度均为800~1200nm；弯曲波导3为矩形凹槽结构，直形波导2为矩形；直形波导2内部中空；直形波导2宽度为60nm~140nm；弯曲波导3外径c 1=380nm~420nm，内径c 2=280nm~320nm。
本实施例提供了如图1一种实现手性近场的波导结构，具体的，波导结构厚度为1000nm，两个直形波导2宽度均为100nm，输入模式的有效折射率n eff =1.7617-0.0132i, 弯曲部分外径c 1=400nm，内径c 2=300nm。
如图3为本实施例的手性近场分布图，从图3(a)、图3(b)和图3(c)可以看出来，手性近场沿着传播方向均是周期分布，如图3(c)所示，手性近场主要分布在波导的Z方向上的两端，即本实施例波导结构厚度方向的两端。如图4所示的手性近场值的分布，更加清楚的证明，手性近场沿着传播方向是周期分布，如图4所示，并且手性近场主要分布在波导的Z方向上的两端，即本实施例波导结构厚度方向的两端。
这就可以在检测分子手性时，将手性分子溶液注入在弯曲金属-介质-金属波导结构的表面，从而避免了由于检测腔室太窄，生物分子不易注入的问题。
实施例3：
为进一步说明实施例2一种实现手性近场的波导结构的手性近场的分布随介质宽度的变化，如图5所示，本实施例公开了其直形波导2的宽度为60nm、80nm、100nm、120nm、140nm时z=480nm的手性近场分布，其他参数均不变。
如图5和图6为本实施例的手性近场随宽度变化的分布图，从图5中可以看出，本实施例一种实现手性近场的波导结构中均有手性近场的分布。并且，随着直形波导2的宽度的变化，手性近场分布的周期也随之发生改变。所以，可以通过调节直形波导2的宽度，从而调控波导结构内部的手性近场分布。并且可以通过输出端的在不同状态下的透射率差值确定分子的手性，调节方便简单，对于波导的信号检测装置已经非常成熟，便与检测，节省成本。
实施例4：
为进一步说明实施例2一种实现手性近场的波导结构的手性近场的分布，本实施例中输入的有效折射率n eff =1.7617-0.0132i，其他参数均不变，与实施例2均相同。
将图5中的手性近场分布与实施例中的图3对比，可以看出，本实施例一种实现手性近场的波导结构中均有手性近场的分布，沿着SPPs的传播方向是呈周期排列，在厚度方向上在上下端，即本实施中的第一端口21和第二端口22手性近场较大。并且，随着有效折射率n eff 的变化，手性近场分布的周期也不相同。所以，通过在波导结构输入端口输入不同的有效折射率，从而实现对手性近场的动态的调控。电磁波在本实施例波导结构输入端口处直接耦合进入波导结构内部形成 SPPs 传播模式，避免由于金属粗糙表面对电磁波进行衍射的影响，当光波入射到金属表面，即本实施例中的ITO衬底1，时会导致与 SPPs 波矢匹配的入射波部分转换为 SPPs 波进行传播。
实施例5：
基于实施例1和实施例2公开的一种实现手性近场的波导结构，本实施例公开了一种实现手性近场的波导结构的手性检测方法，具体步骤如下：
步骤1：将待测的生物分子溶液用注入在所述波导结构的上表面；
步骤2：在所述第一端口21输入一个有效折射率n eff ；
步骤3：然后在所述第二端口22，检测并记录该状态下的透射率T 1；
步骤4：制备实现手性近场的波导结构的对映体结构；
步骤5：将待测的生物分子溶液用注入在对映体波导结构的上表面；
步骤6：在对映体波导的输出端口处，检测并记录该状态下的透射率T 2；
步骤7：根据两种不同状态下的透射率的差值确定分子的手性为左手性还是右手性。
具体而言：在步骤7中，当两种不同状态下的透射率差值T 1-T 2>0时，该分子为右手性分子；当透射率差值T 1-T 2<0时，该分子为左手性分子；透射率差值T 1-T 2=0时，该分子无手性。
本实施例一种实现手性近场的波导结构的手性检测方法，通过输出端的在不同状态下的透射率差值确定分子的手性，调节方便简单，对于波导的信号检测装置已经非常成熟，便与检测，节省成本，具有很好的推广使用价值。
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 (4)

1.一种实现手性近场的波导结构，其特征在于：包括ITO衬底、两个完全相同的直形波导和一弯曲波导；
所述直形波导由所述ITO衬底上表面的矩形凹槽构成；所述弯曲波导由所述ITO衬底上表面的弧形凹槽构成；
所述两个直形波导分别连接于所述弯曲波导的两端；所述直形波导和一弯曲波导均位于同一平面；
所述弯曲波导的弧度为四分之一圆弧；
所述直形波导和所述弯曲波导均为金属-介质-金属波导。
2.根据权利要求 1所述的波导结构，其特征在于：所述直形波导和所述弯曲波导的厚度均为800~1200nm；
所述弯曲波导为矩形凹槽结构，所述直形波导为矩形；所述直形波导内部中空；所述直形波导宽度为60nm~140nm；
所述弯曲波导外径 c 1 =380nm~420nm，内径 c 2 =280nm~320nm。
3.根据权利要求 1所述的实现手性近场的波导结构，其特征在于：所述波导结构具有两个端口，分别为第一端口和第二端口，所述第一端口与所述第二端口完全相同；
所述第一端口为输入端，所述第二端口为输出端；所述输入端的输入模式的有效折射率 n eff =1.7617-0.0132i。
4.根据权利要求3所述的实现手性近场的波导结构的手性检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将待测的生物分子溶液注入在所述波导结构的上表面；
步骤2：在所述第一端口输入一种表面等离激元模式，其有效折射率为n eff；
步骤3：然后在所述第二端口，检测并记录该状态下的透射率T1；
步骤4：制备实现手性近场的波导结构的对映体结构；
步骤5：将待测的生物分子溶液注入在对映体波导结构的上表面；
步骤6：在对映体波导的输出端口处，检测并记录该状态下的透射率T2；
步骤7：根据两种不同状态下的透射率的差值确定分子的手性为左手性还是右手性。
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