反射式介质手性超表面

本公开涉及微纳光学，尤其涉及一种反射式介质手性超表面。

背景技术：

1、手性材料由于独特的几何特性对圆偏振光有独特的响应。其中，圆二色效应指的是手性材料对左旋及右旋圆偏振光的吸收强度不同。根据这一效应，手性材料在检测、成像、防伪和通信等领域具有非常广泛的应用前景。传统手性材料的圆二色效应太弱，产生的差异信号强度太低，从而严重限制了其在相关领域的应用。

2、近年来，利用超表面调控电磁波的谐振模式已成为手性光学领域的研究热点之一。超表面是一种人工制备的一维或二维亚波长尺寸的微纳结构，而其电磁特性可以通过结构尺寸，组合方式等多种设计进行调控，有着极高的自由度。同时，这种结构对于电磁波的振幅、相位及偏振特性有着极强的调控能力。此外，作为尺寸较小的二维平面结构，超表面还具有易于集成，与现有工艺兼容的特点。因此，相比于传统手性材料，手性超表面有着更强的差异信号强度，更小的器件体积，更高的生产效率等优势。

3、目前，手性超表面的材料选择仍以金属为主，由于焦耳热效应，该类型超表面的损耗较大，输出信号强度低，对信号检测系统有着较高的要求。同时，手性超表面需要非对称的结构单元来实现手性，这种非对称的结构单元图形复杂，尺寸精度要求高，对工艺制备提出了的挑战。

4、综上所述，手性超表面是传统手性材料绝佳的替代品，但仍存在不少问题尚未解决，严重限制其实际应用。因此，亟待寻找可行的方法解决金属热损耗带来的高额损耗以及复杂手性图形带来的高精度要求。

技术实现思路

1、针对现有技术问题，本公开提供一种反射式介质手性超表面，用于解决金属热损耗带来的高额损耗以及复杂手性图形带来的高精度要求。

2、本公开实施例提供一种反射式介质手性超表面，包括：衬底层，用于物理支撑作用；反射层，设于衬底层上，用于接收和反射圆偏振光，其中，圆偏振光包括左旋方向的圆偏振光和右旋方向的圆偏振光；介质微纳结构层，设于反射层上，用于对左旋方向的圆偏振光和右旋方向的圆偏振光进行差异性散射，以调控圆偏振光的强度。

3、根据本公开的实施例，介质微纳结构层包括：阵列排布的纳米棒单元，其中，行与行之间的纳米棒单元沿纳米棒单元的长轴方向错位排列且错位方向相同，构成二维斜方格子周期性排列结构。

4、根据本公开的实施例，纳米棒单元为轴对称结构。

5、根据本公开的实施例，在圆偏振光沿反射层表面的法线方向入射的情况下，左旋方向的圆偏振光和右旋方向的圆偏振光在反射层表面形成谐振时的电场分布不同，左旋方向的圆偏振光激发的电场在纳米棒单元的交错区域之间形成电场耦合模式，产生圆二色信号。

6、根据本公开的实施例，在纳米棒单元之间的错位距离变化时，圆二色信号出现连续频移。

7、根据本公开的实施例，纳米棒单元长宽比为2～10。

8、根据本公开的实施例，纳米棒单元长度范围为100纳米到10微米，宽度范围为10纳米到1微米；沿纳米棒单元的长轴方向，相邻纳米棒单元之间的错位距离为100纳米到500纳米；沿纳米棒单元的短轴方向，相邻纳米棒单元之间的间隔为100纳米到10微米。

9、根据本公开的实施例，纳米棒单元的材料为工作波长下吸收率小于10％的介质材料。

10、根据本公开的实施例，反射层的材料为工作波长下反射率高于80％的金属材料。

11、根据本公开的实施例，衬底层的厚度范围为300微米到500微米，反射层的厚度范围为100纳米到500纳米，介质微纳结构层的厚度范围为100纳米到300纳米。

12、根据本公开实施例提供的反射式介质手性超表面，至少包括以下有益效果：

13、通过设置介质微纳结构层，当近红外波段的圆偏振光沿手性超表面法线方向垂直入射时，圆偏振光与介质微纳结构层相互作用，对左旋方向的圆偏振光和右旋方向的圆偏振光进行差异性散射，从而实现对圆偏振光的强度调控。

14、进一步地，介质微纳结构层为阵列排布的纳米棒单元，纳米棒单元错位排列且错位方向相同，使得介质微纳结构层的灵活性高，通过调整纳米棒之间的相对位置，实现圆二色信号波长的连续调节，使反射式介质手性超表面具有广泛的应用场景。并且，介质微纳结构层由错位排列的纳米棒单元构成，元结构简单，加工精度要求低，工艺难度小，良品率高，易于芯片系统集成。

15、更进一步地，纳米棒单元的材料为工作波长下吸收率小于10％的介质材料，使得反射式介质手性超表面插入损耗低，效率高。

16、此外，通过合理设计纳米棒单元的结构及尺寸，进一步降低反射式介质手性超表面的损耗，提高效率及精度。

技术特征：

1.一种反射式介质手性超表面，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的反射式介质手性超表面，其特征在于，所述介质微纳结构层包括：

3.根据权利要求2所述的反射式介质手性超表面，其特征在于，所述纳米棒单元为轴对称结构。

4.根据权利要求2或3所述的反射式介质手性超表面，其特征在于，在所述圆偏振光沿所述反射层表面的法线方向入射的情况下，所述左旋方向的圆偏振光和右旋方向的圆偏振光在所述反射层表面形成谐振时的电场分布不同，左旋方向的圆偏振光激发的电场在所述纳米棒单元的交错区域之间形成电场耦合模式，产生圆二色信号。

5.根据权利要求4所述的反射式介质手性超表面，其特征在于，在所述纳米棒单元之间的错位距离变化时，所述圆二色信号出现连续频移。

6.根据权利要求2或3所述的反射式介质手性超表面，其特征在于，所述纳米棒单元长宽比为2～10。

7.根据权利要求6所述的反射式介质手性超表面，其特征在于，所述纳米棒单元长度范围为100纳米到10微米，宽度范围为10纳米到1微米；

8.根据权利要求2或3所述的反射式介质手性超表面，其特征在于，所述纳米棒单元的材料为工作波长下吸收率小于10％的介质材料。

9.根据权利要求1所述的反射式介质手性超表面，其特征在于，所述反射层的材料为工作波长下反射率高于80％的金属材料。

10.根据权利要求1所述的反射式介质手性超表面，其特征在于，所述衬底层的厚度范围为300微米到500微米，所述反射层的厚度范围为100纳米到500纳米，所述介质微纳结构层的厚度范围为100纳米到300纳米。

技术总结
本公开提供一种反射式介质手性超表面，包括：衬底层，用于物理支撑作用；反射层，设于衬底层上，用于接收和反射圆偏振光，其中，圆偏振光包括左旋方向的圆偏振光和右旋方向的圆偏振光；介质微纳结构层，设于反射层上，用于对左旋方向的圆偏振光和右旋方向的圆偏振光进行差异性散射，以调控圆偏振光的强度。介质微纳结构层包括：阵列排布的纳米棒单元，其中，行与行之间的纳米棒单元沿纳米棒单元的长轴方向错位排列且错位方向相同，构成二维斜方格子周期性排列结构。该反射式介质手性超表面提高了器件的输出效率，减轻了对加工工艺的要求，保障了器件的成品率和量产。

技术研发人员：申超,李子瑛,蒋耐,高晓梅,史建伟,魏钟鸣,郑厚植
受保护的技术使用者：中国科学院半导体研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13