[发明专利]双层螺旋线手性非对称平面超材料圆二色性器件

说明书

本发明公开了一种双层螺旋线手性非对称平面超材料圆二色性器件，包括衬底1、位于衬底1上部的包覆层2和圆二色性作用层3，圆二色性作用层3为一阵列结构，阵列结构由多个上下两层具有一定缩放系数的阿基米德螺旋线阵列单元构成，上、下层阿基米德螺旋线均为手性超材料，其中下层阿基米德螺旋线被所述包覆层2所包覆且包覆层2的厚度与下层阿基米德螺旋线的厚度一样，上层阿基米德螺旋线位于所述包覆层2上部。与现有的三层非对称平面超材料结构相比，本发明的双层螺旋线手性非对称平面超材料大大提高了圆二色性能，并具有全新的工作机理。本发明在分子结构探测、显示、激光、成像等生物与光电子领域具有广泛应用前景。

技术领域

本发明涉及一种偏振器技术领域，具体涉及一种双层螺旋线手性非对称平面超材料圆二色性器件。

背景技术

圆二色性是手性材料的基本特性，是指手性材料对不同圆偏振光的响应差异性(如吸收、反射、透射)。自然界中绝大部分由分子构成的材料和生物组织都具有一定的手性，因此可以开发圆二色性光谱技术对材料进行检测和对生物分子结构进行分析。然而自然材料的手性和圆二色性较弱，限制了其在多领域的应用范畴。相比而言，人工超材料具有优异的结构调节灵活度，通过合理的设计可以产生显著的手性和圆二色性，因而近些年来受到国内外研究人员的广泛关注。

现有的人工手性超材料主要包括两大类，第一类是三维手性超材料，主要代表为三维螺旋线结构。例如，文献一(J.K.Gansel,M.Thiel,M.S.Rill,et al.Gold helixphotonic metamaterial as broadband circular polarizer.Science,2009,5947(325):1513-1515.)报道了一种金属三维螺旋线手性超材料，在很宽的频带内(3.5μm～6.5μm)实现了高的圆二色性(约0.7)。专利CN201510607566.5公开了一种金属三维渐变螺旋线手性超材料，在宽频内实现了更高的圆二色性。这类具有宽频圆二色性的三维手性超材料特别适合应用于圆偏振器上。然而三维手性超材料的制备工艺主要依赖于激光直写技术，因而限制了器件的工作波长主要在中远红外和太赫兹波段，对于近红外和可见光波段无法实现，这就大大限制了很多在此波段工作的应用。第二类是平面手性超材料。与三维手性超材料相比，平面手性超材料可以通过成熟的微纳加工手段(如电子束曝光和离子束刻蚀技术)来实现能工作于可见光一直到太赫兹波段的器件结构，因此应用波段范围大大提升。与此同时，平面手性超材料通过谐振单元的设计可以实现很高品质因子的圆二色性谐振峰，因此可以应用到更多的领域，如滤波，激光，显示，成像，传感等。为了提高圆二色性能，目前广泛采用的平面手性超材料结构是多层堆叠结构，主要分为三种：第一种是金属-电介质-金属(MDM)三层对称平面超材料结构，即三层具有完全相同的超材料图案。第二种是多层旋转对称平面超材料结构，即每层具有完全相同的超材料图案，但是彼此之间具有一定的旋转角。第三种是多层非对称平面超材料结构，即每层的超材料图案在形状或者尺寸或者空间位置等方面有所不同。前两种平面手性超材料目前研究的较为成熟，所报道的圆二色性最高能接近0.6左右。第三种平面手性超材料研究的较少，目前所报道的结构圆二色性值较低，还有很大的提升空间。例如文献二(M.Decker,M.W.Klein,M.Wegener,andS.Linden.Circular dichroism of planar chiral magnetic metamaterials.OpticsLetters,2007,7(32):856-858.)报道了一种三层非对称平面超材料结构，其在近红外波段的圆二色性最高只有0.1左右。

发明内容

本发明的目的在于提出一种双层螺旋线手性非对称平面超材料圆二色性器件，以突破三维手性超材料在工作频带和应用领域上的限制，并解决现有非对称平面超材料方案存在的圆二色性不高的问题。

本发明的技术方案为：