一种基于MIM结构的手性纳米阵列的可调偏振转换器

本发明涉及微纳光学，具体而言，尤其涉及一种基于mim结构的手性纳米阵列的可调偏振转换器。

背景技术：

1、随着纳米加工技术水平的提高，不同形状、尺寸的金属纳米结构都能实现制备。因此，人们对于金属纳米结构展现出的光学响应特性及对应的光物理学机理表现出极高的研究兴趣，其中最重要的一个研究内容是局域表面等离激元，即在入射光场的作用下，金属纳米结构表面的自由电子与入射光场发生共振，从而在共振频率处产生强吸收和散射，在金属纳米结构表面附近极小的体积内产生极大的场增强的现象。局域表面等离激元共振可以实现对光学物理效应的增强，使得金属纳米结构成为微纳光学器件设计和光调制等领域的研究热点之一。

2、手性指在三维空间中的物体不能通过平移或旋转使其与镜像相重合，就像我们的双手一样，镜像对称但不能重合。手性作为宇宙中存在的普遍现象，在手性光学器件、手性物质检测和手性光调制等领域都有其重要应用，所以对手性的研究具有很大潜力与重要应用价值。

3、手性分子对不同偏振光的折射率不同，会使入射光的偏振面的方向旋转一个角度，这种能使偏振面旋转的性能称为旋光性，而这种旋光性就使得对偏振转换光学器件的设计成为可能。因此，为了研究高旋光性的手性偏振转换技术，存在许多理论分析和实验研究致力于基于表面等离激元的手性现象，尤其是基于手性金属纳米结构的局域表面等离激元的增强光学响应。已经存在的基于金属纳米结构的偏振转换器可以实现对线偏振光的偏振角度的调制，或者将线偏振光调制成椭圆偏振光。然而，现有的偏振转换器由于调制效果单一从而没有较好地灵活可调的性质，基于mim纳米结构的法布里-珀罗(fabry–pérot，fp)腔效应，首次将圆偏振光转换成为线偏振光和相反旋向的椭圆偏振光，不仅可以改变光的偏振，还可以改变光的旋转，更能够实现对光的周期性调制，从而获得更多不同的光性质。

技术实现思路

1、根据上述提出的光学偏振调制效果单一且没有较好地灵活可调性质的技术问题，提供一种基于mim结构的手性纳米阵列的可调偏振转换器。本发明通过手性等离激元纳米结构的旋光性对光线的偏振和旋向进行调制转换。本发明主要利用三个尺寸相同的和一个尺寸不同的金属/介质纳米长方体构成一定间隙排列的平面四聚体纵向堆积成mim四聚体手性结构。在左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的照射下，由于结构对不同偏振光的折射率存在差异，产生旋光性，从而实现对偏振和旋向的调谐转换。mim结构上下层金属层之间形成fp腔，具有很强的手性响应可调性，可以对结构的旋光性进行周期性的调制。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种基于mim结构的手性纳米阵列的可调偏振转换器，包括：透明基底，设置在透明基底上的手性金属纳米结构阵列，其中：

4、所述手性金属纳米结构阵列包括多个呈周期性排列的mim四聚体纳米单元；

5、每个mim四聚体纳米单元包括堆积构成的三个单层四聚体纳米单元，即两个厚度相同的金属层四聚体纳米单元和设置在两个金属层四聚体纳米单元中间的介质层四聚体纳米单元；

6、每个单层四聚体均包括四个呈间隔排列的具有手性响应的长方体纳米结构，即每个单层四聚体均包括呈间隔排列的第一横长方体、第一竖长方体、第二竖长方体、第二横长方体。

7、进一步地，包括：透明基底，设置在透明基底上的手性金属纳米结构阵列，其中：

8、所述手性金属纳米结构阵列包括多个呈周期性排列的mim四聚体纳米单元；

9、每个mim四聚体纳米单元包括堆积构成的三个单层四聚体纳米单元，即两个厚度相同的金属层四聚体纳米单元和设置在两个金属层四聚体纳米单元中间的介质层四聚体纳米单元；

10、每个单层四聚体均包括四个呈间隔排列的具有手性响应的纳米结构长方体，即每个单层四聚体均包括呈间隔排列的第一横长方体(1)、第一竖长方体(2)、第二竖长方体(3)、第二横长方体(4)。

11、进一步地，所述金属层四聚体纳米单元中金属层均由贵金属材料制成，所述介质层四聚体纳米单元中介质层由电介质材料制成。

12、进一步地，所述手性金属纳米结构阵列的周期任意选择，选择周期为px＝380～620nm，py＝240～480nm。

13、进一步地，所述第一横长方体的长轴与所述第一竖长方体和第二竖长方体的长轴垂直，所述第二横长方体的长轴与所述第一竖长方体和第二竖长方体的长轴垂直，所述第一横长方体的长轴与所述第二横长方体的长轴平行。

14、进一步地，所述第一横长方体与所述第一竖长方体之间的间距、所述第一横长方体与所述第二竖长方体之间的间距、所述第一竖长方体与所述第二横长方体之间的间距、所述第二竖长方体与所述第二横长方体之间的间距、所述第一竖长方体与所述第二竖长方体之间的间距均相同，间距为10～40nm。

15、进一步地，所述第一横长方体的长度为160～240nm，宽度为40～80nm；所述第一竖长方体、第二竖长方体、第二横长方体的尺寸相同，长度均为110～190nm，宽度均为40～80nm。

16、进一步地，所述第一横长方体的右边线与所述第二竖长方体的右边线在y轴方向共线；所述第一竖长方体的左边线与所述第二横长方体的左边线在y轴方向共线；所述第一横长方体的上边线与所述第一竖长方体的上边线在x轴方向共线；所述第二竖长方体的下边线与所述第二横长方体的下边线在x轴方向共线。

17、进一步地，所述透明基底包括玻璃基底。

18、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

19、1、本发明提供的基于mim结构的手性纳米阵列的可调偏振转换器，利用mim结构上下层金属层形成的fp腔对光的性质进行周期性调制特性，通过结构对不同偏振光的折射率的差异产生的旋光特性，对光的偏振进行转换，具有较强的调谐能力。

20、2、本发明提供的基于mim结构的手性纳米阵列的可调偏振转换器，能够将圆偏振光转化为椭圆偏振光、线偏振光、相反旋向的偏振光，实现对光的调制。

21、3、本发明提供的基于mim结构的手性纳米阵列的可调偏振转换器，在使用时，在左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的照射下，由于结构对不同偏振光的折射率实部存在差异，产生旋光性，从而实现对偏振的调谐转换。

22、基于上述理由本发明可在微纳光学等领域广泛推广。

技术特征：

1.一种基于mim结构的手性纳米阵列的可调偏振转换器，其特征在于，包括：透明基底，设置在透明基底上的手性金属纳米结构阵列，其中：

2.根据权利要求1所述的基于mim结构的手性纳米阵列的可调偏振转换器，其特征在于，所述金属层四聚体纳米单元中金属层的厚度为10～120nm；所述介质层四聚体纳米单元中介质层的厚度为0～2900nm，用于决定结构手性光学响应并且有周期性的调制作用。

3.根据权利要求2所述的基于mim结构的手性纳米阵列的可调偏振转换器，其特征在于，所述金属层四聚体纳米单元中金属层均由贵金属材料制成，所述介质层四聚体纳米单元中介质层由电介质材料制成。

4.根据权利要求1所述的基于mim结构的手性纳米阵列的可调偏振转换器，其特征在于，所述手性金属纳米结构阵列的周期任意选择，选择周期为px＝380～620nm，py＝240～480nm。

5.根据权利要求1所述的基于mim结构的手性纳米阵列的可调偏振转换器，其特征在于，所述第一横长方体(1)的长轴与所述第一竖长方体(2)和第二竖长方体(3)的长轴垂直，所述第二横长方体(4)的长轴与所述第一竖长方体(2)和第二竖长方体(3)的长轴垂直，所述第一横长方体(1)的长轴与所述第二横长方体(4)的长轴平行。

6.根据权利要求5所述的基于mim结构的手性纳米阵列的可调偏振转换器，其特征在于，所述第一横长方体(1)与所述第一竖长方体(2)之间的间距、所述第一横长方体(1)与所述第二竖长方体(3)之间的间距、所述第一竖长方体(2)与所述第二横长方体(4)之间的间距、所述第二竖长方体(3)与所述第二横长方体(4)之间的间距、所述第一竖长方体(2)与所述第二竖长方体(3)之间的间距均相同，间距为10～40nm。

7.根据权利要求6所述的基于mim结构的手性纳米阵列的可调偏振转换器，其特征在于，所述第一横长方体(1)的长度为160～240nm，宽度为40～80nm；所述第一竖长方体(2)、第二竖长方体(3)、第二横长方体(4)的尺寸相同，长度均为110～190nm，宽度均为40～80nm。

8.根据权利要求7所述的基于mim结构的手性纳米阵列的可调偏振转换器，其特征在于，所述第一横长方体(1)的右边线与所述第二竖长方体(3)的右边线在y轴方向共线；所述第一竖长方体(2)的左边线与所述第二横长方体(4)的左边线在y轴方向共线；所述第一横长方体(1)的上边线与所述第一竖长方体(2)的上边线在x轴方向共线；所述第二竖长方体(3)的下边线与所述第二横长方体(4)的下边线在x轴方向共线。

9.根据权利要求1所述的基于mim结构的手性纳米阵列的可调偏振转换器，其特征在于，所述透明基底包括玻璃基底。

技术总结
本发明提供一种基于MIM结构的手性纳米阵列的可调偏振转换器，其手性金属纳米结构阵列包括多个呈周期性排列的MIM四聚体纳米单元；MIM四聚体纳米单元包括两个厚度相同的金属层四聚体和设置在两个金属层四聚体中间的介质层四聚体；每个单层四聚体均包括四个呈间隔排列的具有手性响应的长方体纳米结构。本发明利用三个尺寸相同的和一个尺寸不同的金属/介质纳米长方体构成一定间隙排列的平面四聚体纵向堆积成MIM四聚体手性结构。在左、右旋圆偏振光的照射下，由于结构对不同偏振光的折射率存在差异，产生旋光性，从而实现对偏振和旋向的调谐转换。MIM结构上下层金属层之间形成Fabry–Pérot腔，具有很强的手性响应可调性，能够对光的偏振和旋性进行周期性的调制。

技术研发人员：林远海,郭珩,车德卿,王俊生
受保护的技术使用者：大连海事大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12