外在手性超构表面结构及调制圆偏振光反射强度的方法

1.本发明涉及微纳光学技术领域，尤其是涉及一种外在手性超构表面结构及调制圆偏振光反射强度的方法。

背景技术：

2.在人工微结构中，强手性光学响应大多存在于缺乏镜像对称的三维超构材料和少层超构表面当中。然而，在可见光和近红外波段，无法通过现有微纳加工工艺来低成本地加工制备复杂的微纳结构并精确控制其结构参数以获得所需的手性光学响应，进而实现对圆偏振光场的有效调控。近来，由简单结构构成的单层超构表面中的外在手性光学响应为可见和近红外波段圆偏振光场的有效调控提供了新的有力手段。目前，利用超构表面的外在手性光学响应，可以通过改变入射光入射到超构表面的角度，在特定角度下实现对左右旋圆偏振光场的选择性反射。但是利用外在手性超构表面连续调控圆偏振光强度的简单有效方法还未被提出。

技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种外在手性超构表面结构及调制圆偏振光反射强度的方法，当圆偏振光沿特定方向倾斜入射时，仅通过控制该超构表面的单一结构参数便能够在特定波长下直接调控某一特定旋性圆偏振光的反射强度，并能够保持另一种圆偏振光的反射强度基本不变，从而可以实现手性高阶灰度成像。
4.第一方面，本发明提供的外在手性超构表面结构由多个基体结构单元组成，所述基体结构单元包括：第一金属层；设置于所述第一金属层上的电介质层；以及设置于所述电介质层上的第二金属层；
5.所述第二金属层包括：第一棒体和第二棒体，所述第一棒体和所述第二棒体分别沿所述电介质层的表面延伸，所述第一棒体与所述第二棒体间隔设置，且所述第一棒体的延伸方向与所述第二棒体的延伸方向垂直。
6.结合第一方面，本发明提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述基体结构单元作为灰度图像的像素点，具有灰度差的两个像素点所设有的所述第一棒体长度尺寸具有差值。
7.结合第一方面，本发明提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述第一棒体的长度尺寸为400nm～520nm。
8.结合第一方面，本发明提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述第一金属层的厚度为90nm～100nm。
9.结合第一方面，本发明提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述电介质层的厚度为100nm～160nm。
10.结合第一方面，本发明提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述第一棒体和所述第二棒体的厚度皆为20nm～40nm。
11.结合第一方面，本发明提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述第一棒体的宽度为60nm～80nm。
12.结合第一方面，本发明提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述第二棒体的宽度为65nm～85nm。
13.结合第一方面，本发明提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述第二棒体的长度为150nm～200nm。
14.第二方面，本发明提供的调制圆偏振光反射强度的方法采用第一方面记载的外在手性超构表面结构，且包括以下步骤：
15.定义第一棒体的延伸方向为x轴方向，第二棒体的延伸方向为y轴方向；
16.多个基体结构单元分别沿x轴和y轴阵列；
17.在左旋圆偏振光或右旋圆偏振光倾斜入射条件下，改变各基体结构单元中第一棒体的长度尺寸，以调制特定旋性圆偏振光的反射强度；
18.其中，入射光的方向与x轴夹角为45
°
，入射光的方向与z轴夹角为45
°
。
19.本发明实施例带来了以下有益效果：采用多个基体结构单元组成外在手性超构表面结构，基体结构单元中第一金属层、电介质层和第二金属层依次设置，第二金属层包括第一棒体和第二棒体，第一棒体和第二棒体分别沿电介质层的表面延伸，第一棒体与第二棒体间隔设置，且第一棒体的延伸方向与第二棒体的延伸方向垂直，在圆偏振光沿某一特定方向倾斜入射时，仅改变第一棒体的长度参数便能够在特定波长下直接调控某一特定旋性圆偏振光的反射强度，并能够保持另一种圆偏振光的反射强度基本不变，从而可以实现手性高阶灰度成像，具有结构设计方便，图像保密性高的优点。
20.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或相关技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
22.图1为本发明实施例提供的外在手性超构表面结构的基体结构单元的示意图；
23.图2为本发明实施例提供的外在手性超构表面结构的第一种基体结构单元的俯视图；
24.图3为本发明实施例提供的外在手性超构表面结构的第一种基体结构单元在左旋和右旋圆偏振光倾斜入射条件下，在1200nm到1500nm波长范围内的反射光谱示意图；
25.图4为本发明实施例提供的外在手性超构表面结构的第二种基体结构单元的俯视图；
26.图5为本发明实施例提供的外在手性超构表面结构的第二种基体结构单元在左旋和右旋圆偏振光倾斜入射条件下，在1200nm到1500nm波长范围内的反射光谱示意图；
27.图6为本发明实施例提供的外在手性超构表面结构的第一种基体结构单元在波长1330nm处左、右旋圆偏振光条件下反射强度随第一棒体长度变化的示意图；
28.图7为本发明实施例提供的外在手性超构表面结构的第二种基体结构单元在波长1330nm处左、右旋圆偏振光条件下反射强度随第一棒体长度变化的示意图。
29.图标：100-第一金属层；200-电介质层；300-第二金属层；310-第一棒体；320-第二棒体。
具体实施方式
30.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。公式中的物理量，如无单独标注，应理解为国际单位制基本单位的基本量，或者，由基本量通过乘、除、微分或积分等数学运算导出的导出量。
32.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
33.如图1、图2和图4所示，本发明实施例提供的外在手性超构表面结构由多个基体结构单元组成，基体结构单元包括：第一金属层100；设置于第一金属层100上的电介质层200；以及设置于电介质层200上的第二金属层300；第二金属层300包括：第一棒体310和第二棒体320，第一棒体310和第二棒体320分别沿电介质层200的表面延伸，第一棒体310与第二棒体320间隔设置，且第一棒体310的延伸方向与第二棒体320的延伸方向垂直。
34.具体的，基体结构单元在x轴和y轴方向上呈阵列分布，一个基体结构单元在x轴和y轴方向上的尺寸皆为560nm，第一金属层100可配置为金反射层，也可采用其他金属材质替换；电介质层200配置为二氧化硅夹层，也可采用其他电介质材料夹层；第二金属层300配置为金棒结构层，也可采用其他金属材质。如图1和图2所示，第一棒体310沿x轴延伸，第二棒体320沿y轴延伸，从而形成第一种基体结构单元；如图4所示，相较于第一种基体结构单元绕z轴旋转90度，形成第二种基体结构单元，其中，第一棒体310沿y轴延伸，第二棒体320沿x轴延伸。
35.在一种效果验证的实施方式中，当超构表面结构中第一棒体310长度为520nm,第二棒体320长度为175nm，第一棒体310宽度为70nm，第二棒体320宽度为75nm，第一金属层100厚度为90nm，电介质层200的厚度为130nm，第一棒体310和第二棒体320厚度为30nm时，在左旋圆偏振光或右旋圆偏振光倾斜照射条件下(入射光方向与x轴夹角theta为45
°
，使入射光方向与z轴夹角phi为45
°
)，在1200nm到1500nm波长范围内，第一种基体结构单元的反射光谱参见图3所示，第二种基体结构单元的反射光谱参见图5所示。参见图3，外在手性超
构表面结构在1330nm波长处具有显著的圆二向性，其对rcp实现了效率约99％的强吸收，而lcp则在整个波段内都实现了效率约80％的高反射。参见图5，当组成超构表面的基体结构单元沿z轴旋转90
°
后，外在手性超构表面结构的圆二向性与结构未旋转前正好相反，实现了rcp的高度反射及lcp的高效率吸收。当波矢方向偏离theta＝phi＝
±
45
°
时，圆二向性强度逐渐降低，直至正入射时(theta＝0或phi＝0
°
)手性光谐振完全消失，两种旋性的圆偏振光均被高效率反射。
36.参见图2和图6，通过调节第一棒体310的长度尺寸l1，就可以实现谱线在该波段内的整体平移，因此可以实现rcp在1330nm处的反射强度的连续调控，且几乎不影响lcp在此波长处的反射强度。参见图4和图7，通过调节第一棒体310的长度尺寸l1，就可以实现谱线在该波段内的整体平移，因此可以实现lcp在1330nm处的反射强度的连续调控，且几乎不影响rcp在此波长处的反射强度。在波长1330nm的左旋或右旋圆偏振光沿特定方向入射时，可以实现反射强度0.8到0的调制。
37.在本发明实施例中，基体结构单元作为灰度图像的像素点，具有灰度差的两个像素点所设有的第一棒体310长度尺寸具有差值。调节单一参数(第一棒体310长度尺寸)，便可实现对特定像素点在特定圆偏振光条件下反射强度的调控，进而实现对该像素点的灰度调节。由于第一棒体310的长度尺寸可以连续调节，进而可实现高阶灰度成像。参见图6和图7，第一棒体310长度尺寸l1分别设定为400nm、479nm、500nm或520nm，在不同旋性圆偏光倾斜入射(theta＝phi＝
±
45
°
)下，四种结构表现出明显不同的反射强度，从而实现四阶手性灰度成像。
38.如图1、图2、图4、图6和图7所示，第一棒体310的长度尺寸l1为400nm～520nm，第一棒体310的长度尺寸l1还可设定为420nm、440nm、460nm或500nm。
39.如图1所示，第一金属层100的厚度t1为90nm～100nm，第一金属层100的厚度t1可设定为92nm、95nm或97nm。
40.进一步的，电介质层200的厚度t2为100nm～160nm，电介质层200的厚度t2可设定为110nm、120nm、130nm、140nm或150nm。
41.进一步的，第一棒体310和第二棒体320的厚度t3皆为20nm～40nm，第二金属层300的厚度t3可设定为22nm、25nm、27nm、30nm、32nm或35nm。
42.进一步的，第一棒体310的宽度w1为60nm～80nm，第一棒体310的宽度w1可设定为65nm、70nm或75nm。
43.进一步的，第二棒体320的宽度w2为65nm～85nm，第二棒体320的宽度w2可设定为70nm、75nm或80nm。
44.进一步的，第二棒体320的长度l2小于第一棒体310的长度l1，第二棒体320的长度l2为150nm～200nm，第二棒体320的长度l2可设定为160nm、170nm、180nm或190nm。
45.如图1、图2和图3所示，本发明实施例提供的调制圆偏振光反射强度的方法采用上述实施方式记载的外在手性超构表面结构，且包括以下步骤：
46.多个基体结构单元分别沿x轴和y轴阵列，以组成灰度图像平面；在左旋圆偏振光或右旋圆偏振光沿特定方向倾斜入射时，改变第一棒体310的长度尺寸，以改变特定旋性圆偏振光的反射强度；其中，入射光的方向与x轴夹角为45
°
，入射光的方向与z轴夹角为45
°
。
47.在本发明实施例中，采用外在手性超构表面结构，能够在特定方向圆偏振光倾斜
入射时，仅控制单一参数(第一棒体310的长度尺寸)，便可以在特定波长下直接调控特定某一旋性圆偏振光的反射强度，并保持另一旋性圆偏振光的反射强度基本不变，从而实现高阶手性灰度成像，可用于图像加密，具有设计方便，易于实现的优点。
48.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：

1.一种外在手性超构表面结构，由多个基体结构单元组成，其特征在于，所述基体结构单元包括：第一金属层(100)；设置于所述第一金属层(100)上的电介质层(200)；以及设置于所述电介质层(200)上的第二金属层(300)；所述第二金属层(300)包括：第一棒体(310)和第二棒体(320)，所述第一棒体(310)和所述第二棒体(320)分别沿所述电介质层(200)的表面延伸，所述第一棒体(310)与所述第二棒体(320)间隔设置，且所述第一棒体(310)的延伸方向与所述第二棒体(320)的延伸方向垂直。2.根据权利要求1所述的外在手性超构表面结构，其特征在于，所述基体结构单元作为灰度图像的像素点，具有灰度差的两个像素点所设有的所述第一棒体(310)长度尺寸具有差值。3.根据权利要求1所述的外在手性超构表面结构，其特征在于，所述第一棒体(310)的长度尺寸为400nm～520nm。4.根据权利要求1所述的外在手性超构表面结构，其特征在于，所述第一金属层(100)的厚度为90nm～100nm。5.根据权利要求1所述的外在手性超构表面结构，其特征在于，所述电介质层(200)的厚度为100nm～160nm。6.根据权利要求1所述的外在手性超构表面结构，其特征在于，所述第一棒体(310)和所述第二棒体(320)的厚度皆为20nm～40nm。7.根据权利要求1所述的外在手性超构表面结构，其特征在于，所述第一棒体(310)的宽度为60nm～80nm。8.根据权利要求1所述的外在手性超构表面结构，其特征在于，所述第二棒体(320)的宽度为65nm～85nm。9.根据权利要求1所述的外在手性超构表面结构，其特征在于，所述第二棒体(320)的长度为150nm～200nm。10.一种调制圆偏振光反射强度的方法，其特征在于，该方法采用权利要求1-9任一项所述的外在手性超构表面结构，且包括以下步骤：定义第一棒体(310)的延伸方向为x轴方向，第二棒体(320)的延伸方向为y轴方向；多个基体结构单元分别沿x轴和y轴阵列；在左旋圆偏振光或右旋圆偏振光倾斜入射条件下，改变各基体结构单元中第一棒体(310)的长度尺寸，以调制特定旋性圆偏振光的反射强度；其中，入射光的方向与x轴夹角为45
°
，入射光的方向与z轴夹角为45
°
。

技术总结

本发明提供了一种外在手性超构表面结构及调制圆偏振光反射强度的方法，涉及微纳光学技术领域，本发明提供的外在手性超构表面结构由多个基体结构单元组成，基体结构单元包括第一金属层、电介质层和第二金属层；第二金属层包括沿电介质层的表面延伸的第一棒体和第二棒体，第一棒体与第二棒体间隔设置，且第一棒体的延伸方向与第二棒体的延伸方向垂直。利用该外在手性超构表面结构调制圆偏振光反射强度的方法是在特定方向圆偏振光倾斜入射时，仅改变第一棒体的长度参数便能够在特定波长下调控特定旋性圆偏振光的反射强度，并能够保持另一种圆偏振光的反射强度基本不变，从而可以实现自旋选择的高阶灰度成像，具有结构设计方便，图像保密性高的优点。图像保密性高的优点。图像保密性高的优点。