本发明属于微纳光学技术领域，具体涉及一种可实现非对称传输的纳米结构及其制备方法。
背景技术
非对称传输(asymmetrictransmission,at)指，具有不同偏振态的电磁波入射结构后表现出不同传输性能的效应，其中，传输性能主要研究的为透射、吸收、反射等。在生物分子领域，手性分子一般都比较弱，而人造微纳金属结构可大大提高其手性，at值作为手性分子的探测信号就显得尤为重要，所以我们在设计这种非对称传输的结构时，需要达到大的非对称传输效率，即大的at值和尽可能多的at信号。因此，对不同类型非对称传输器件的设计与实现的研究，具有很重要的现实意义。
通过竖直入射不同偏振态的圆偏振光，通过透射传输性能进一步的反映非对称传输效应，公式表示：
其中，下角标“+”(“-”)代表右(左)旋；下角标“-+”(“+-”)代表右(左)旋圆偏振光入射结构，右(左)旋圆偏振光出射结构。这种特殊的光学性能具有很深的应用潜能，在集成光路、通讯、现代军事等领域中有很广泛的应用。在光学领域，非对称传输的光学特性也被深入地研究，激发强非对称传输性能的等离激元结构的设计具有重要意义。
表面等离激元是在金属表面区域的一种自由电子和光子相互作用形成的沿金属表面传播的电子疏密波，这种通过入射光激发的自由电子集群振荡能够实现电场增强、吸收增强的效果。人工设计的等离激元结构具有很多奇特的电磁性能，在表面增强光谱、生物传感等方面有着广泛的应用。近年来，等离激元手性金属结构的设计已经成为一项重要的研究方向，利用手性等离激元结构的这一性质，产生了许多三维的手性纳米结构，如金属螺旋结构等。但是通过自下而上和自上而下的制造技术制备螺旋类的结构非常复杂，难于操作，很难大面积推广使用。
现有技术中通过双层结构来实现圆偏振光、线偏振光的非对称传输效应，但大多结构复杂，制备图形的过程复杂，效率低；此外，对于直入射圆偏振光，大多数的三维结构和单层结构的非对称传输信号弱，对非对称传输效应的应用是极大的限制。
技术实现要素：
为了解决现有技术中存在的大多数的三维结构制备工艺复杂，平面结构和三维结构对于直入射圆偏振光非对称传输信号弱的问题，本发明提供了一种可实现非对称传输的纳米结构及其制备方法，结构简单，制备简单，且相较单层和三维结构可以实现较大的非对称传输，产生更大的at信号，易于制备且精度高，可以通过简单的结构及其制备方法产生很强的非对称传输效应。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种可实现非对称传输的纳米结构，所述纳米结构由第一纳米薄膜、介质层和第二纳米薄膜由上及下依次连接构成；所述第一纳米薄膜和第二纳米薄膜完全相同，均由多个结构相同的纳米单元按矩形周期阵列连接而成；所述每个纳米单元由一金属薄膜构成；所述每个纳米单元还包括有一倾斜矩形孔，所述矩形孔长边与纳米单元周期方向具有一夹角α；所述第一纳米薄膜和第二纳米薄膜上的矩形孔位置一一对应，且上下贯通；所述金属薄膜由贵金属制成。
进一步地，所述纳米单元的厚度h＝80nm；所述介质层厚度d＝120nm；所述纳米单元的周期px＝py＝560～720nm。
进一步地，所述矩形孔的长度l＝520～560nm，宽度w＝180～220nm，矩形孔的长边与纳米单元周期方向的夹角α＝0°～90°。
进一步地，所述贵金属为金或者银材料；所述介质层材料为sio2。
进一步地，可实现非对称传输的纳米结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，准备基底：准备ito玻璃基底并清洗吹干；
步骤2，涂光刻胶：用甩胶机在步骤1准备好的ito玻璃基底上涂覆pmma光刻胶；
步骤3，涂胶后烘干：将步骤2涂覆pmma光刻胶的基底放在热板上烘干；
步骤4，电子束曝光结构图形：用图形发生器设计可实现非对称传输的纳米结构的第二纳米薄膜结构图形，并用电子束曝光，得到曝光后的基底；
步骤5，显影：常温下，将步骤4中曝光好的基底放入显影液中浸泡显影；
步骤6，定影：将步骤5浸泡显影后的基底放入定影液中浸泡定影，定影完成后将基底取出，用氮气吹干；
步骤7，定影后烘干：将步骤6浸泡定影后并吹干的基底放在热板上烘干；
步骤8，镀贵金属：将步骤7定影后烘干的基底放入电子束真空蒸发镀膜机镀贵金属，蒸镀完冷却10min～20min后再取出；
步骤9，剥离pmma光刻胶：采用lift-off工艺，将步骤8真空镀贵金属后的基底泡在丙酮中，时间至少为30min，溶解pmma光刻胶；
步骤10，吹干：用氮气枪吹干步骤9得到的剥离pmma光刻胶后的基底，得到可实现非对称传输的纳米结构的第二纳米薄膜；
步骤11，镀介质层：将步骤10烘干的基底放入电子束真空蒸发镀膜机镀sio2层，作为两层纳米薄膜之间的介质层，蒸镀完冷却10min～20min后再取出；
步骤12，涂光刻胶：用甩胶机在步骤11准备好的基底上涂覆pmma光刻胶；
步骤13，涂胶后烘干：将步骤12涂覆pmma光刻胶的基底放在热板上烘干；
步骤14，电子束曝光结构图形：用图形发生器设计可实现非对称传输的纳米结构的第一纳米薄膜结构图形，并用电子束曝光，得到曝光后的基底；
步骤15，显影：常温下，将步骤14中曝光好的基底放入显影液中浸泡显影；
步骤16，定影：将步骤15浸泡显影后的基底放入定影液中浸泡定影，定影完成后将基底取出，用氮气吹干；
步骤17，定影后烘干：将步骤16浸泡定影后并吹干的基底放在热板上烘干；
步骤18，镀贵金属：将步骤17定影后烘干的基底放入电子束真空蒸发镀膜机镀贵金属，蒸镀完冷却10min～20min后再取出；
步骤19，剥离pmma光刻胶：采用lift-off工艺，将步骤18真空镀贵金属后的基底泡在丙酮中，时间至少为30min，溶解pmma光刻胶；
步骤20，吹干：用氮气枪吹干步骤19得到的剥离pmma光刻胶后的基底，得到所述由双层纳米薄膜构成的可实现非对称传输的纳米结构。
进一步地，所述步骤1具体操作为：准备厚度为1.0mm，长宽尺寸为20.0mm×20.0mm的ito玻璃，并将准备的ito玻璃放入洗涤液中清洗，用去离子水超声15min后，用丙酮超声15min，再用酒精超声15min，之后用去离子水超声5min，最后用氮气枪吹干后放入氮气柜中备用。
进一步地，所述步骤2和步骤12中光刻胶的厚度为80nm，甩胶机的转速为4000rpm，时间为60s；所述步骤3、步骤7、步骤13和步骤17中烘干的温度均为150℃，时间为3min。
进一步地，所述步骤5和步骤15中显影液由四甲基二戊酮与异丙醇以体积比为3：1配合制成，浸泡显影的时间为60s；所述步骤6和步骤16中浸泡定影的时间为60s；所述步骤8和步骤18中真空蒸发镀膜机的真空度不大于3×10-6torr，蒸镀镀贵金属的厚度为80nm。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)本发明的纳米结构，其纳米单元由第一纳米薄膜和第二纳米薄膜进行结构组合而成，通过周期排列表征结构的手性特征，并通过对左旋偏振光和右旋偏振光的不同响应机制，获得所需偏振态的光，进一步应用于偏振变换器、电磁、偏振旋转器等装置中，实际应用范围广泛。
(2)本发明纳米结构能够产生强烈的非对称传输效应，最高可达39％，传统的平面结构实现非对称传输信号仅在10％左右，当右旋光照射本申请实施例纳米结构时，出射光中有39％转化为左旋光，产生强烈非对称传输效应，探测信号强，且共振波段位于可见光波段，易于手性分子的信号的探测。
(3)本发明的纳米结构，在结构设计中采用两层纳米结构间的电场耦合，使得该结构的at效应产生级联放大效果，而不是简单的两个双层结构at信号的简单相加，也就是说at≠10％+10％＝20％，而是接近40％。本申请实施例提出了提高结构at信号的新手段，也就是利用双层矩形孔两层间的耦合，达到级联放大的效果，为非对称传输光学器件的设计与研究提供了一种新的思路。
(4)本发明纳米结构可以通过调节纳米薄膜上倾斜矩形孔中例如矩形孔的长度、宽度、与纳米单元周期方向的夹角α等参数来调整非对称传输的振动波长，并且还可以对其信号的强弱进行可控调节。
(5)本发明纳米结构介质层采用sio2材料，价廉易得，且具有很好的透光性能，中间介质层可以更换为其他例如热敏材料，从而实现at信号的调控。
附图说明
图1是本发明纳米结构三维结构示意图；
图2是本发明纳米结构纳米单元的结构示意图；
图3是本发明纳米结构非对称传输极化转化光谱图。
其中，图1和图2中：1、第一纳米薄膜；2、第二纳米薄膜；3、介质层；4、矩形孔。
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和图2所示，为本申请实施例一种可实现非对称传输的纳米结构，为解决现有技术中存在的大多三维结构制备工艺复杂、平面结构和三维结构对于直入射圆偏振光非对称传输效应信号弱的问题，本申请实施例提供了一种可实现非对称传输的纳米结构，结构简单，制备简单，且相较单层和三层结构可以实现较大的非对称传输效应，产生更大的at信号，易于制备且精度高，可以通过简单的结构及其制备方法产生很强的非对称传输效应。
如图1所示，一种可实现非对称传输的纳米结构，由第一纳米薄膜1、介质层3和第二纳米薄膜2由上及下依次连接构成，第一纳米薄膜1和第二纳米薄膜2完全相同，均由多个结构相同的纳米单元按矩形周期阵列连接而成。
如图2所示，每个纳米单元由一金属薄膜构成，每个纳米单元还包括有一倾斜矩形孔4，矩形孔4长边与纳米单元周期方向具有一夹角α，第一纳米薄膜1和第二纳米薄膜2上的矩形孔4位置一一对应，且上下贯通，金属薄膜由贵金属制成，本申请实施例优选为金材料，介质层3优选为sio2材料。
非对称传输效应与波传播的方向和入射波的偏振状态都具有紧密的联系，当光入射时，电磁波和本申请实施例纳米结构之间产生强烈的耦合作用，通过在相反方向上照射相同偏振态的波获取不同偏振态的波产生极化转化，得到不同的极化转化率，从而产生强烈的非对称传输。
本申请实施例的纳米结构的纳米单元由第一纳米薄膜1和第二纳米薄膜2进行结构组合，通过周期排列表征结构的手性特征，在圆偏振光的激励下，第一纳米薄膜1和第二纳米薄膜2之间产生强烈的耦合作用，实现结构的at信号级联放大。本申请实施例纳米结构能够产生强非对称传输效应，最高可达39％，即当右旋光入射本申请实施例纳米结构时，出射光中有39％转化为左旋光，相对于传统的平面结构非对称传输信号10％左右有很大的提高，这在光学偏振器件上有很强的实际推广应用。
在本实施例中，可实现非对称传输的纳米结构在每个纳米单元上均设有倾斜矩形孔4，在两层纳米薄膜上产生强烈的at信号。申请实施例纳米结构非对称传输性能突出，可以很好地应用到非对称传输器件的制作中，当改变本申请实施例纳米结构单元尺寸时，例如矩形孔4的长度、宽度、与纳米单元周期方向的夹角α等参数可以可预测性的调整非对称传输的振动频带和at信号的强弱，在偏振转换器、电磁开关等器件的制作中可以发挥巨大作用。
实施例2：
基于实施例1公开的可实现非对称传输的纳米结构，本申请实施例公开了一种可实现非对称传输的纳米结构的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，准备基底：准备ito玻璃基底并清洗吹干；
具体的，步骤1具体操作为：准备厚度为1.0mm，长宽尺寸为20.0mm×20.0mm的ito玻璃，并将准备的ito玻璃放入洗涤液中清洗，用去离子水超声15min后，用丙酮超声15min，再用酒精超声15min，之后用去离子水超声5min，最后用氮气枪吹干后放入氮气柜中备用。
步骤2，涂光刻胶：用甩胶机在步骤1准备好的ito玻璃基底上涂覆pmma光刻胶；具体的，光刻胶的厚度为80nm，甩胶机的转速为4000rpm，时间为60s；
步骤3，涂胶后烘干：将步骤2涂覆pmma光刻胶的基底放在热板上烘干；烘干的温度均为150℃，时间为3min。
步骤4，电子束曝光结构图形：用图形发生器设计可实现非对称传输的纳米结构的第二纳米薄膜2结构图形，并用电子束曝光，得到曝光后的基底；
步骤5，显影：常温下，将步骤4中曝光好的基底放入显影液中浸泡显影；
步骤6，定影：将步骤5浸泡显影后的基底放入定影液中浸泡定影，定影完成后将基底取出，用氮气吹干；
步骤7，定影后烘干：将步骤6浸泡定影后并吹干的基底放在热板上烘干；烘干的温度均为150℃，时间为3min。
步骤8，镀贵金属：将步骤7定影后烘干的基底放入电子束真空蒸发镀膜机镀贵金属，蒸镀完冷却10min～20min后再取出；
步骤9，剥离pmma光刻胶：采用lift-off工艺，将步骤8真空镀贵金属后的基底泡在丙酮中，时间至少为30min，溶解pmma光刻胶；
步骤10，吹干：用氮气枪吹干步骤9得到的剥离pmma光刻胶后的基底，得到可实现非对称传输的纳米结构的第二纳米薄膜2；
步骤11，镀介质层3：将步骤10烘干的基底放入电子束真空蒸发镀膜机镀sio2层，作为两层纳米薄膜之间的介质层3，蒸镀完冷却10min～20min后再取出；
步骤12，涂光刻胶：用甩胶机在步骤11准备好的基底上涂覆pmma光刻胶；
具体的，光刻胶的厚度为80nm，甩胶机的转速为4000rpm，时间为60s；
步骤13，涂胶后烘干：将步骤12涂覆pmma光刻胶的基底放在热板上烘干；烘干的温度均为150℃，时间为3min。
步骤14，电子束曝光结构图形：用图形发生器设计可实现非对称传输的纳米结构的第一纳米薄膜1结构图形，并用电子束曝光，得到曝光后的基底；
步骤15，显影：常温下，将步骤14中曝光好的基底放入显影液中浸泡显影；
步骤16，定影：将步骤15浸泡显影后的基底放入定影液中浸泡定影，定影完成后将基底取出，用氮气吹干；
步骤17，定影后烘干：将步骤16浸泡定影后并吹干的基底放在热板上烘干；烘干的温度均为150℃，时间为3min。
步骤18，镀贵金属：将步骤17定影后烘干的基底放入电子束真空蒸发镀膜机镀贵金属，蒸镀完冷却10min～20min后再取出；
步骤19，剥离pmma光刻胶：采用lift-off工艺，将步骤18真空镀贵金属后的基底泡在丙酮中，时间至少为30min，溶解pmma光刻胶；
步骤20，吹干：用氮气枪吹干步骤19得到的剥离pmma光刻胶后的基底，得到由双层纳米薄膜构成的可实现非对称传输的纳米结构。
具体的，其中步骤5和步骤15中显影液由四甲基二戊酮与异丙醇以体积比为3：1配合制成，浸泡显影的时间为60s；步骤6和步骤16中浸泡定影的时间为60s；步骤8和步骤18中真空蒸发镀膜机的真空度不大于3×10-6torr，蒸镀镀贵金属的厚度为80nm。
上述结构的制备方法中，本申请实施例纳米结构是由纳米单元按矩形周期阵列组成的强非对称传输的双层金属纳米结构，结构简单，在制备过程中的步骤少，电子束曝光结构图形时，速度快，效率高，节省人力物力和实验成本，且结构成型的精度高。
实施例3：
为进一步阐述实施例1公开的可实现非对称传输的纳米结构，本申请实施例公开了一种可实现非对称传输的纳米结构的非对称传输效应，利用comsolmultiphysics的3d有限元方法来对本申请实施例纳米结构光学特性进行仿真模拟。
如图1和图2所示，一种可实现非对称传输的纳米结构，由第一纳米薄膜1、介质层3和第二纳米薄膜2由上及下依次连接构成，第一纳米薄膜1和第二纳米薄膜2完全相同，均由多个结构相同的纳米单元按矩形周期阵列连接而成。纳米单元的厚度h＝80nm，介质层3厚度d＝120nm，纳米单元的周期px＝py＝620nm，矩形孔4的长度l＝540nm，宽度w＝200nm，矩形孔4的长边与纳米单元x方向的夹角α＝22.5°。第一纳米薄膜1和第一纳米薄膜1优选为金材料，介质层3材料为sio2。
当lcp和rcp分别从结构的正面入射时，其对入射光的偏振态转化率不同，从而产生非对称传输效应，得到at信号。尤其当入射光为左旋偏振光、出射光为右旋偏振光时的转化透射率比入射光为右旋偏振光、出射光为左旋偏转光的高。
如图3为本申请实施例纳米结构的非对称传输光谱图，其中，图3(a)为本申请实施例的透射光谱图，图3(b)为本申请实施例的非对称传输极化转化光谱图，分别用lcp和rcp以直入射的方式照射，本申请实施例纳米结构在不同波段下表现出不同的透射率，在550～800nm波段，lcp的圆偏振转换效率大于rcp的圆偏振转换效率，产生了两个差异明显的对应共振峰，在透射光谱的共振谷位置对应产生两个不同波段的强非对称传输信号，分别为700nm波段的模式i和645nm波段的模式ⅱ，如图3所示，由两条竖直虚线分别标示。
如图3(a)所示，对模式i共振波段(λ＝700nm)，当lcp直入射时，本申请实施例纳米结构对左旋偏振光的透射率为40％，且位于该入射光透射光谱曲线中的峰处；当rcp直入射时，纳米结构对右旋偏振光的透射率为1％，。因为at特性的级联放大作用，使得rcp光直入射时，对右旋偏振光的透射率非常低，左右偏振光的透射差异增大，从而导致整个结构的at信号非常强。
对模式ⅱ共振波段(λ＝645nm)，当lcp直入射时，本申请实施例纳米结构对左旋偏振光的透射率为12％，且位于该入射光透射光谱曲线中的峰处；当rcp直入射时，本申请实施例纳米结构对右旋偏振光的透射率为0.2％，。同样，因为at特性的级联放大作用，左右偏振光的透射差异增大，从而导致该模式的at信号也非常强。
本申请实施例纳米结构的设计使左旋偏振光和右旋偏振光的透射率峰谷共振对应产生强烈的非对称传输效应。纳米结构的设计相比手性结构及传统单层结构，对于不同圆偏振光入射的透射光谱对应的非对称传输效果差异明显，级联放大效应使得结构的at信号强度大幅度提高。通过在入射光激发下，第一纳米薄膜1和第二纳米薄膜2之间的光场耦合作用增强共振效应，从而产生强非对称传输效应，如图3(b)所示，分别为模式i：在λ＝700nm时，at＝39％；模式ⅱ：在λ＝645nm时，at＝11.8％，两种强共振模式对应的波段均分布于可见光，肉眼可见，极大方便手性分子at信号的探测。
本实施例的一种可实现非对称传输的纳米结构能够产生强烈的非对称传输效应。传统的平面结构实现非对称传输信号在10％左右，但本申请实施例公开的纳米结构，能够产生强非对称传输效应，最高可达39％，即当右旋光入射该结构时，出射光中有39％转化为左旋光，满足大多数光学偏振器件的要求。此外，第一纳米薄膜1和第二纳米薄膜2之间强烈的光场耦合作用可实现增强共振效应，利用制备工艺制备简单的结构从而提高结构制备精度，为光学器件制造、理论研究、强场增强技术等领域的研究提供了新的思路。
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。