CN113885118A - 一种手性光学元件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种手性光学元件及其制备方法，该手性光学元件包括基底和至少一个手性超结构单元；所述至少一个手性超结构单元位于所述基底上方；单个所述手性超结构单元包括至少一个斐波那契螺旋线子单元。通过设置斐波那契螺旋线子单元，以及调控手性超结构单元的形状和数量来调控聚焦场的聚焦点数、局域偏振态、响应波长和强度调控；能够在宽波段范围内对入射圆偏振光具有强响应性，显著提高了手性光学元件的光响应特性。

Description

一种手性光学元件及其制备方法

技术领域

本申请涉及光学领域，特别涉及一种手性光学元件及其制备方法。

背景技术

手性是自然界中的基本属性，与我们的生活密不可分。光学活性是手性材料最重要的性质之一，其本质为手性材料对左右圆偏振光具有不同的相互作用力。在右手性的手性材料中，右圆偏振光会被选择性地反射，而左圆偏振光就会被透过。在左手性的手性材料中，与之相反。

然而，自然界中手性分子和原子的尺寸与光波的波长相比非常的小，手性物质的手性光学响应非常微弱，一方面不利于对手性产生机制的研究，另一方面也造成了利用自然界现有材料无法实现对圆偏振光场的有效调控。相比于人工构筑的三维手性超结构，二维手性结构层级单一，光学响应的工作波长和响应强度的可调控范围有限，无法通过对微结构结构参数的有限变化实现对其手性光学响应波段和强度的深度调控，致使手性超结构的广泛应用得到限制。

发明内容：

针对现有技术的上述问题，本发明采用一种操作简单、成本低廉的制备方法，并利用斐波那契螺旋线的形状制成了一种手性光学元件。

为了解决上述问题，本发明提供一种手性光学元件及其制备方法，具体技术方案如下：

一方面，提供了一种手性光学元件，包括：基底和至少一个手性超结构单元；至少一个手性超结构单元位于基底上方；单个所述手性超结构单元包括至少一个斐波那契螺旋线子单元。

进一步地，在单个所述手性超结构单元包括至少两个斐波那契螺旋线子单元的情况下，所述斐波那契螺旋线子单元的终点相交。

进一步地，单个所述手性超结构单元包括奇数个或偶数个所述斐波那契螺旋线子单元。

进一步地，手性超结构单元为金属膜线。

进一步地，斐波那契螺旋线子单元的线宽为10-30nm，厚度为100-200nm。

进一步地，手性超结构单元的材质包括金、银、铝和铜中的一种或几种。

进一步地，在手性超结构单元包括一个斐波那契螺旋线子单元的情况下，手性超结构单元的大径为200-300nm。

进一步地，在手性超结构单元包括至少两个斐波那契螺旋线子单元的情况下，手性超结构单元的大径为400-600nm。

进一步地，基底为石英基底、硅基底或锗基底。

另一方面，提供了一种制备上述手性光学元件的方法，包括以下步骤：

对基底进行清洗；

在清洗后的基底上涂布光刻胶；

提供一个光刻板，在光刻板上有至少一个手性超结构单元的预设图案，预设图案包括至少一条斐波那契螺旋线；

光刻板设置于基底的涂布光刻胶的一侧的上方，对基底的涂布光刻胶的一侧进行金属材料溅射预设图案；

去除基底上的残余光刻胶，得到手性光学元件。

采用上述技术方案，本申请公开的一种手性光学元件具有如下有益效果：

本申请提供的一种手性光学元件，通过设置斐波那契螺旋线子单元以及手性超结构单元的形状和数量来对聚焦场的聚焦点数、局域偏振态、响应波长和强度进行调控；能够在宽波段范围内对入射圆偏振光具有强响应性，显著提高手性光学元件的光响应特性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种1个斐波那契螺旋线子单元的手性超结构单元的手性光学元件的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种1个斐波那契螺旋线子单元的手性超结构单元的手性光学元件的侧视图；

图3为本申请实施例提供的一种1个斐波那契螺旋线子单元的手性超结构单元的纳米阵列的手性光学元件的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种由2个斐波那契螺旋线子单元组成的手性超结构单元的手性光学元件的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种由2个斐波那契螺旋线子单元组成的手性超结构单元的纳米阵列的手性光学元件的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的一种由3个斐波那契螺旋线子单元组成的手性超结构单元的手性光学元件的结构示意图；

图7为本申请实施例提供的一种由4个斐波那契螺旋线子单元组成的手性超结构单元的手性光学元件的结构示意图；

图8为本申请实施例提供的一种由4个斐波那契螺旋线子单元组成的手性超结构单元的纳米阵列的手性光学元件的结构示意图；

图9为本申请实施例提供的一种由5个斐波那契螺旋线子单元组成的手性超结构单元的纳米阵列的手性光学元件的结构示意图；

图10为本申请实施例提供的手性光学元件制备流程的示意图

其中，附图标记对应为：1-基底；2-手性超结构单元；21-斐波那契螺旋线子单元。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请提供一种手性光学元件，包括：基底1和至少一个手性超结构单元2；至少一个手性超结构单元2位于基底1上方；单个手性超结构单元2包括至少一个斐波那契螺旋线子单元21。

本申请实施例中，请参阅图1-9，其所示为本申请实施例提供的几种不同的手性光学元件的结构示意图。

本申请实施例中，基底1可以为石英玻璃为代表的玻璃基底，可以是以锗和硅为代表的半导体基底，也可以为其他基底材料，在此不做限定；在基底1的上方设置有斐波那契螺旋线子单元21的手性超结构单元2，手性超结构单元2为纳米薄膜结构；基底1上可以设置一个或者多个手性超结构单元2，如图3、5、8、9所示，图中为设置多个手性超结构单元2的情况，通过改变基底1上的手性超结构单元2的数量，可以调控聚焦场的聚焦点数和局域偏振态。

在一些实施例中，多个手性超结构单元2在基底1上规整排列，以在基底1上构成手性超结构纳米阵列；如此，通过形成阵列结构能够将入射的偏振光转化为局域复合偏振。

在一些实施例中，手性超结构单元2在基底1上的排列方式可以是矩阵排列，也可以是随机排列。

在一些实施例中，手性超结构单元2的斐波那契螺旋线子单元21的螺旋圈数为至少一圈，手性超结构单元2的斐波那契螺旋线子单元21的螺旋圈数具体限定为自起始点起旋转角度360°的长度定义为1圈，在一优选实施例中，手性超结构单元2的斐波那契螺旋线子单元21的螺旋圈数为2圈。

在一些实施例中，手性超结构单元2的斐波那契螺旋线子单元21的可以是顺时针旋转，也可以是逆时针旋转，将顺时针旋转定义为“右旋”，将逆时针旋转定义为“左旋”，一个手性超结构单元2只包括一种旋转方式的斐波那契螺旋线子单元21，一个基底1上只包括一种旋转方式的手性超结构单元2。

具体地，一个基底1上只包括“左旋”或“右旋”的手性超结构单元2并且其斐波那契螺旋线子单元21只能够是“左旋”或“右旋”，在本申请实施例的附图中，均为“左旋”的斐波那契螺旋线子单元21以及均为“左旋”的手性超结构单元2，可以根据实际需求将其设置为“右旋”的手性超结构单元2。

本申请的实施例中，单个手性超结构单元2包括至少两个斐波那契螺旋线子单元21的情况下，所述斐波那契螺旋线子单元21的终点相交。

在一些实施例中，当斐波那契螺旋线子单元21数量是2时，斐波那契螺旋线子单元21构成了一个类似“S”形状的手性超结构单元2，如图4所示，当斐波那契螺旋线子单元21大于2时，斐波那契螺旋线子单元21构成了一个类似“风车”形状的手性超结构单元2，如图6、7所示，随着斐波那契螺旋线子单元21数量的增加，“风车扇叶”也一起增加，进而可调控聚焦场的聚焦点数和局域偏振态。

在一些实施例中，当斐波那契螺旋线子单元21的数量是1时，如图1、3所示，手性超结构单元2被称为一级手性超结构单元2。

在一些实施例中，当斐波那契螺旋线子单元21的数量是大于等于2并且斐波那契螺旋线子单元21的终点相交时，如图4、6、7所示，手性超结构单元2被称为二级手性超结构单元2，由二级手性超结构单元2构筑而成的光学元件能够在宽波段范围内实现对入射圆偏振光具有强响应性，具有显著的手性光学响应特性，使得手性光学元件应用领域更广泛。

本申请的实施例中，单个所述手性超结构单元2包括奇数个或偶数个所述斐波那契螺旋线子单元21。

在一些实施例中，在2个以上的斐波那契螺旋线子单元21的数量的情况下，斐波那契螺旋线子单元21的数量为偶数个并且成偶数倍增加时，光场聚焦点成偶数倍增加，增强了对圆偏振光的响应性，而斐波那契螺旋线子单元21的数量为奇数个并且成奇数倍增加时，如图6、7所示，光场聚焦点成奇数倍增加，其手性超结构单元2的单元尺寸变化不大，具体为手性超结构单元2的大径变化不大，进而光学响应波长变化不大。

本申请的实施例中，手性超结构单元2为金属膜线。

在一些实施例中，手性超结构单元2可以是金属，手性超结构单元2的材质包括金、银、铝和铜中的至少一种或几种。

在一些实施例中，手性超结构单元2也可以是其他材料，可根据具体需求设置，在此不做限定。

本申请的实施例中，斐波那契螺旋线子单元21的线宽为10-30nm，厚度为100-200nm。其中，斐波那契螺旋线子单元21的线宽为10-30nm。在一些情况下，斐波那契螺旋线子单元21的线宽具体为金属膜线的宽度。

在一些实施例中，斐波那契螺旋线子单元21的线宽为10-25nm，厚度为100-150nm。

在一些实施例中，斐波那契螺旋线子单元21的线宽为15-30nm，厚度为150-150nm。

在本申请实施例中，手性超结构单元2包括一个斐波那契螺旋线子单元21的情况下，手性超结构单元2的大径可以是200-300nm，也可以是其他大小，在此不做限定。

在本申请实施例中，在手性超结构单元2包括两个斐波那契螺旋线子单元21的情况下，手性超结构单元2的大径可以是400-600nm，也可以是其他大小，在此不做限定。

在一些实施例中，两个斐波那契螺旋线子单元21构成的手性超结构单元2的尺寸是一个斐波那契螺旋线子单元21构成的手性超结构单元2尺寸的2倍。

在一些实施例中，两个斐波那契螺旋线子单元21构成的手性超结构单元2的光学响应波长，既包括一个斐波那契螺旋线子单元21构成的手性超结构单元2的光学响应波长，还包括了一个斐波那契螺旋线子单元21构成的手性超结构单元2的两倍的光学响应波长。具体地，一个斐波那契螺旋线子单元21构成的手性超结构单元2的尺寸为200-300nm,则能够对200-300nm的圆偏振光产生响应，同样地，一个斐波那契螺旋线子单元21构成的手性超结构单元2的尺寸为400-600nm,只能对400-600nm的圆偏振光产生响应，而两个斐波那契螺旋线子单元21构成的手性超结构单元2的尺寸为400-600nm,不仅对200-300nm的圆偏振光产生响应，还能对400-600nm的圆偏振光产生响应。

需要说明的是，当手性材料的螺距与入射光的波长同阶匹配时，会产生布拉格(Bragg)共振散射：mλ＝Pnavgsinα(m通常取1，λ为入射光波长，P为材料的螺距，navg为材料与环境的平均折射率，α为入射光与材料的夹角，当垂直入射时，sinα为1)。因此，手性结构对散射和透过的圆偏振光的选择性完全取决于手性结构在与光在对应波长上的匹配的手性，并且只与材料的折射率和手性结构有关。

在一些情况下，可以基于所要检测的光波波长范围设置相应的手性结构单元的尺寸。

本申请实施例中还提供了一种制备上述手性光学元件的方法，参照图10，其为本申请实施例提供的一种手性光学元件的制备方法的流程示意图，包括以下步骤：

S1：提供一基底1，对基底1进行清洗；

需要说明的是，在本申请实施中，基底1可以为石英玻璃为代表的玻璃基底，可以为以锗和硅为代表的半导体基底，也可以为其他基底材料，在此不做限定。

S2：在清洗后的基底上涂布光刻胶；

需要说明的是，可以使用匀胶机涂上一层电子束光刻胶正胶。

S3：提供一个光刻板，在光刻板上至少有一个手性超结构单元2的预设图案，预设图案包括至少一条斐波那契螺旋线；

在本申请实施例中，使用电子束曝光和显影技术根据特定参数得到预设图案，预设图案是斐波那契螺旋线构成的互为镜像不对称的手性图形，该预设图案即为最终得到的一个或者多个手性超结构单元2的形状。

在一优选实施例中，采用的是电子束光刻技术，首先在光刻板上完成斐波那契螺旋线：具体方式可以为：起始点以q为半径，沿顺时针或逆时针画1/4圆，再以这个终点作为下一个圆的起始点，沿顺时针或逆时针画半径为2q的1/4圆。同样地，再以该终点作为下一个圆的起始点，画半径为前两个圆的半径之和的1/4圆。以此类推，最终得到一个斐波那契螺旋线，其中q为10-30nm。也可以是其他方法得到预设图案，可根据具体的实际情况，在此不做具体的限定。需要说明的是，判断一个斐波那契螺旋线的完成可以根据斐波那契螺旋线的螺旋圈数确定，可以不是一个完整的1/4圆的长度。

S4：光刻板设置于基底1的涂布光刻胶的一侧的上方，对基底1的涂布光刻胶的一侧进行金属材料溅射预设图案；

在本申请实施例中，金属材料可以是金、银、铝和铜中的至少一种或几种，也可以是其他材料，可根据具体需求设置，在此不做限定。

其中，在基底1上形成至少一个手性超结构单元2可以通过直流磁控溅射，也可以是蒸发，也可以是其他方法，在此不做限定。

S5：去除基底1上的残余光刻胶，得到手性光学元件。

在本申请实施例中，使用正性去胶液去除残余光刻胶后得到手性光学元件，也可以是其他方法去除残余光刻胶，在此不做具体的限定。

以下基于上述技术方案列举本说明书的一些具体实施例。

实施例1

本实施例公开一种手性光学元件的制备方法，具体包括：

1)提供一玻璃基底，对玻璃基底进行清洗；

2)使用匀胶机在清洗后的玻璃基底上涂上一层电子束光刻胶正胶；

3)提供一个光刻板，在光刻板上有如图1所示的手性超结构单元2的预设图案；采用的是电子束光刻技术，首先在光刻板上完成如图1所示的手性超结构单元图案，起始点以10nm为半径，沿逆时针画1/4圆，再以这个终点作为下一个圆的起始点，沿逆时针画半径为20nm的1/4圆，同样地，再以该终点作为下一个圆的起始点，画半径为前两个圆的半径之和的1/4圆，以起点起旋转角度为360°定义为1圈，画2圈为止，最终得到如图1所示的手性超结构单元2图案；

4)光刻板设置于基底1的涂布光刻胶的一侧的上方，对玻璃基底的涂布光刻胶的一侧通过直流磁控溅射铝材料形成有如图1所示的手性超结构单元图案，在玻璃基底上形成一个手性超结构单元；

5)去除玻璃基底上的残余光刻胶，得到手性光学元件。

对上述方法制备的一种手性光学元件，在斐波那契螺旋线超结构表面激发的基于等离子的共振光学活性，将入射光能量束缚在超结构表面，实现对其手性光学响应波段和强度的深度调控，其斐波那契螺旋在手性超结构的引入，使得其手性光学元件应用领域广泛。

实施例2

本实施例公开一种手性光学元件的制备方法，具体包括：

1)提供一硅半导体基底，对硅半导体基底进行清洗；

2)使用匀胶机在清洗后的硅半导体基底上涂上一层电子束光刻胶正胶；

3)提供一个光刻板，在光刻板上有如图4所示的手性超结构单元2的预设图案，采用的是电子束光刻技术，首先在光刻板上完成如图4所示的手性超结构单元图案，起始点以30nm为半径，沿逆时针画1/4圆，再以这个终点作为下一个圆的起始点，沿逆时针画半径为60nm的1/4圆，同样地，再以该终点作为下一个圆的起始点，画半径为前两个圆的半径之和的1/4圆，以起点起旋转角度为360°定义为1圈，画1圈为止，如上相同的方法再画1圈，使得两个1圈的图案终点相交，最终得到如图4所示的手性超结构单元2图案；

4)光刻板设置于硅半导体基底的涂布光刻胶的一侧的上方，对硅半导体基底的涂布光刻胶的一侧通过直流磁控溅射银材料形成如图4所示的手性超结构单元图案，在硅半导体基底上形成一个手性超结构单元；

5)去除硅半导体基底上的残余光刻胶，得到手性光学元件。

对上述方法制备的一种手性光学元件，在斐波那契螺旋线超结构表面激发的基于等离子的共振光学活性，将入射光能量束缚在超结构表面，其通过两个斐波那契螺旋线子单元终点相交构成的手性超结构单元，相比于实施例1中的一个斐波那契螺旋线子单元构成的手性超结构单元，其两个斐波那契螺旋线子单元构成的手性超结构单元的光学响应波长既包括一个斐波那契螺旋线子单元构成的手性超结构单元的光学响应波长，还包括了一个斐波那契螺旋线子单元构成的手性超结构单元的两倍的光学响应波长，能够在宽波段范围内实现对入射圆偏振光具有强响应性，具有显著的手性光学响应特性，使得手性光学元件应用领域更广泛。

实施例3

本实施例3提供了本实施例2提供的一种手性光学元件的制备方法，与实施例2的区别在于：采用的是电子束光刻技术，在光刻板上完成如图5所示的手性超结构单元图案，具体地，起始点以30nm为半径，沿逆时针画1/4圆，再以这个终点作为下一个圆的起始点，沿逆时针画半径为60nm的1/4圆，同样地，再以该终点作为下一个圆的起始点，画半径为前两个圆的半径之和的1/4圆，以起点起旋转角度为360°定义为1圈，画1圈为止，如上相同的方法再画1圈，使得两个1圈的图案终点相交，以上步骤所获得的图案，在硅半导体基底上重复绘制，最终得到如图5所示的纳米矩阵排列的多个手性超结构单元图案。

具体地，本实施例3中其他部分与实施例2相同，在此不再赘述。

实施例3提供了一种手性光学元件的制备方法，与实施例2相比，采用设置多个手性超结构单元的手性光学元件，使得光场聚焦点增加，增强了对圆偏振光的响应性，具有显著的手性光学响应特性，使其手性光学元件应用领域更广泛。

综上，本申请的手性光学元件，通过设置斐波那契螺旋线子单元，以及调控手性超结构单元的形状和数量来调控聚焦场的聚焦点数、局域偏振态、响应波长和强度调控；能够在宽波段范围内对入射圆偏振光具有强响应性，显著提高手性光学元件的光响应特性。

本申请提供的手性光学元件制备方法，操作简单，成本低，便于生产。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种手性光学元件，其特征在于，包括：基底(1)和至少一个手性超结构单元(2)；

所述至少一个手性超结构单元(2)位于所述基底(1)上方；

单个所述手性超结构单元(2)包括至少一个斐波那契螺旋线子单元(21)。

2.根据权利要求1所述的手性光学元件，其特征在于，在单个所述手性超结构单元(2)包括至少两个斐波那契螺旋线子单元(21)的情况下，所述斐波那契螺旋线子单元(21)的终点相交。

3.根据权利要求1所述的手性光学元件，其特征在于，单个所述手性超结构单元(2)包括奇数个或偶数个所述斐波那契螺旋线子单元(21)。

4.根据权利要求1所述的手性光学元件，其特征在于，所述手性超结构单元(2)为金属膜线。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的手性光学元件，其特征在于，所述斐波那契螺旋线子单元(21)的线宽为10-30nm，厚度为100-200nm。

6.根据权利要求4所述的手性光学元件，其特征在于，所述手性超结构单元(2)的材质包括金、银、铝和铜中的一种或几种。

7.根据权利要求1所述的手性光学元件，其特征在于，在所述手性超结构单元(2)包括一个斐波那契螺旋线子单元(21)的情况下，所述手性超结构单元(2)的大径为200-300nm。

8.根据权利要求2所述的手性光学元件，其特征在于，在所述手性超结构单元(2)包括两个斐波那契螺旋线子单元(21)的情况下，所述手性超结构单元的大径为400-600nm。

9.根据权利要求1所述的手性光学元件，其特征在于，所述基底(1)为石英基底、硅基底或锗基底。

10.一种用于制备如权利要求1～9任一项所述的手性光学元件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

对所述基底(1)进行清洗；

在清洗后的所述基底(1)上涂布光刻胶；

提供一个光刻板，在所述光刻板上有至少一个手性超结构单元(2)的预设图案，所述预设图案包括至少一条斐波那契螺旋线；

所述光刻板设置于所述基底(1)的涂布光刻胶的一侧的上方，对所述基底(1)的涂布光刻胶的一侧进行金属材料溅射所述预设图案，以在所述基底(1)上形成所述至少一个手性超结构单元(2)；

去除所述基底(1)上的残余光刻胶，得到所述手性光学元件。

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