CN113866863A - 一种手性光学元件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开一种手性光学元件及其制备方法，该手性光学元件包括：基底与设置在基底上的至少一个手性超结构；单个手性超结构包括至少一层介质膜，各层介质膜重叠设置，本申请通过设置一定结构的手性光学元件，且对其手性超结构的参数进行改变，进而实现对其手性光学响应波段和强度的调控，同时通过对至少一层介质膜的层数、材质以及厚度的设置，形成对手性光学元件的光学响应波段具有抗反射和反射的介质膜，使得对处于不同波段的光都可以实现更强的圆二色光学活性，增强手性结构的使用范围。
Description
技术领域
本申请涉及光学加密元件技术领域，特别涉及一种手性光学元件及其制备方法。
背景技术
手性是自然界中的基本属性，与我们的生活密不可分。从定性上说，只要物体与它的镜像相同但不能通过旋转或者平移相互重合，就可以被认为是手性的。光学活性，是手性材料最重要的性质之一，其本质为手性材料对左右圆偏振光具有不同的相互作用力。
在右手性的手性材料中，右圆偏振光会被选择性地反射，而左圆偏振光就会被透过，然而在左手性的手性材料中，则与右手性相反。当超材料有极强的手性时，甚至会呈现出负折射率，负折射率材料也被称为手性超材料，利用负折射率材料可以对物体进行“隐身”，实现突破衍射极限的亚波长分辨率成像，因此对于手性结构的研究成为了电磁学和光学领域最前沿的研究课题。
现有技术对手性结构研究中，人工微结构中手性光学相应的工作波长与响应强度的可操控范围有限，不能通过对微结构参数的有限变化实现对其手性光学响应波段和强度的调控，进而也不能通过对手性超结构参数的改变，使得该手性结构能够对处于不同波段的光都可以实现更强的圆二色光学活性，增强手性超结构的使用范围。
因此，急需设计一种手性光学元件，来解决现有技术中存在的不能通过对微结构参数的有限变化实现对其手性光学响应波段和强度的调控，进而也不能通过对手性超结构参数的改变，使得该手性结构能够对处于不同波段的光都可以实现更强的圆二色光学活性，增强手性结构的使用范围。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本申请实施例提供了一种手性光学元件及其制备方法的技术方案，所述技术方案如下：
一方面，提供了一种手性光学元件，包括：基底与设置在所述基底上的至少一个手性超结构；
单个所述手性超结构包括至少一层介质膜，各层介质膜重叠设置。
进一步地，所述手性超结构呈回字纹形状。
进一步地，所述手性超结构呈为右螺旋回字纹形状或左螺旋回字纹形状。
进一步地，所述手性超结构中相邻边间的间距为50-100nm。
进一步地，所述手性超结构的单层介质膜为螺旋膜线结构。
进一步地，所述介质膜的线宽度为10-30nm。
进一步地，所述手性超结构的回字纹的外圈尺寸与所述手性光学元件的光学响应波段相匹配。
进一步地，所述至少一层介质的材料包括氧化铪、氧化钽、五氧化三钛、二氧化钛、氟化镁、二氧化硅、锗、硫化锌和硅等中的一种或多种。
进一步地，所述基底包括石英基底、硅基底和锗基底中的至少一种。
另一方面，提供了一种手性光学元件的制备方法，包括以下步骤：
提供基底；
在所述基底上形成光刻胶层；
用带有手性超结构图形的光刻板进行曝光，在所述基底上形成至少一个手性超结构的预设图案；
对所述基底形成所述预设图案的一侧进行介质膜沉积，以在所述基底的预设图案处生成至少一层介质膜，以得到所述至少一个手性超结构；其中，各层介质膜重叠；
去除所述基底上的残余光刻胶，得到手性光学元件。
本申请提供的一种手性光学元件及其制备方法，具有如下技术效果：
1、本申请通过设置呈回字纹形状的手性超结构，并通过对该手性超结构的参数改变，使得手性超结构的尺寸与响应波长共振匹配，实现对其手性光学响应波段和强度的调控。
2、本申请通过对至少一层介质膜的层数、材质以及厚度的设置，同时结合对手性超结构的尺寸进行设定，使得形成对手性光学元件的光学响应波段具有抗反射和反射的介质膜，使得对处于不同光学响应波段的入射圆偏振光具有更强的响应性，增强手性光学元件的光学响应特征。
3、本申请用于制备手性光学元件的方法简单易操作，成功率高，且成本较低，便于推广。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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。
图1为本申请实施例提供的一种手性光学元件的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种手性光学元件的侧视图；
图3为本申请实施例提供的一种含有9个手性超结构的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的一种呈右螺旋回字纹形状的手性超结构的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的一种手性光学元件的制备方法的流程示意图；
其中，附图标记对应为：1-基底；2-手性超结构。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，在本申请创造的描述中，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。
请参阅图1和图2，其图1为本申请实施例提供的一种手性光学元件的结构示意图，图2为本申请实施例提供的一种手性光学元件的侧视图，下面结合图1和图2对手性光学元件进行详细的说明。
本申请实施例提供了一种手性光学元件，其包括基底1与设置在基底1上的至少一个手性超结构2；单个手性超结构2包括至少一层介质膜，其中，各层介质膜重叠设置。
在本申请实施例中，将至少一个手性超结构2按照一定的排列方式沉积在基底1上，形成手性光学元件，通过对手性超结构2的尺寸等相关参数的改变，实现对其手性光学响应波段和强度的调控，使得手性光学元件与不同的光学响应波长发生共振匹配，发生Bragg共振散射，以便于手性光学元件展现出不同的光学特性，在一个具体的实施例中，不同的光学特性可以为对光的抗反射特性和反射特性，需要说明的是，也可以为其他的光学特性，在此，不做具体的限定。
在一个具体的实施例中，如图3所示，其为本申请实施例提供的一种含有9个手性超结构的结构示意图，通过9个手性超结构在基底上按照3*3列的矩阵排列形式，在此需要说明的是，此仅为一个具体的实施例展现的结构示意图，也可以全部为左螺旋回字纹形状的手性超结构2按照矩阵排列的方式展示，也可以为左螺旋回字纹形状的手性超结构2与右螺旋回字纹形状的手性超结构2的组合方式展示，其中也可以为2*2、4*4和5*5等列的矩阵排列形式，在此，不做一一列举。
在一个可选的实施例中，基底1包括石英基底、硅基底和锗基底中的至少一种。
在本申请实施例中，基底1包括石英基底、硅基底和锗基底中的至少一种，可实际情况选择不同的基底材料，在此需要说明的是，本实施例中仅仅列举常用的三种基底1的类型，还可以为其他材质的基底，例如，在此不做具体的界定。
在一个具体的实施例中，可根据目标波段选择合适的基底1材料，如手性光学元件的光学响应波段为可见光所属波段或近红外光所属波段，则基底1可选择在上述波段呈现透明的石英基底；若手性光学元件的光学响应波段为红外光所属波段，则基底1可选择在上述波段呈现透明的硅基底和锗基底，在此，也可以为在手性光学元件的光学响应波段呈现透明的其他基底，在此，不做一一列举。
在一个可选的实施例中，手性超结构2呈回字纹形状。
在一个可选的实施例中，手性超结构2呈为右螺旋回字纹形状或左螺旋回字纹形状。
在一个可选的实施例中，手性超结构2的单层介质膜为螺旋膜线结构。
在本申请实施例中，呈现左螺旋回字纹形状的手性超结构2如图1所示，呈现右螺旋回字纹形状的手性超结构2如图4所示，当螺旋膜线结构呈现顺时针排列时，我们称其为右螺旋回字纹形状的手性超结构2；当螺旋膜线结构呈现逆时针排列时，我们称其为左螺旋回字纹形状的手性超结构2，其手性光学元件设置呈回字纹形状的手性超结构2，以便于根据调节手性超结构2的尺寸来匹配响应波长，使其能够发生共振。
在一个可选的实施例中，手性超结构2的单层介质膜为螺旋膜线结构。
在一个可选的实施例中，手性超结构2中相邻边间的间距为50-100nm。
进一步地，手性超结构2中相邻边间的间距还可以为50-60nm、60-70nm、70-80nm、80-90nm和90-100nm等范围，在本申请实施例中，还可以为其他的间距范围，可结合螺旋膜线结构的圈数、介质膜的线宽度以及不同的光学响应波段来进行确定，在此不做具体的界定。
在一个可选的实施例中，介质膜的线宽度为10-30nm。
进一步地，介质膜的线宽度还可以为10-20nm和20-30nm等范围，还可以为其他的间距范围，可结合螺旋膜线结构的圈数、手性超结构2中相邻边间的间距以及不同的光学响应波段来进行确定，在此不做具体的界定。
在一个可选的实施例中，手性超结构2的回字纹的外圈尺寸与手性光学元件的光学响应波段相匹配。
在本申请实施例中，通过对手性超结构2的回字纹的外圈尺寸调节，能够使得调节后的手性超结构2的回字纹的外圈尺寸与手性光学元件的光学响应波段相匹配，进而使得对处于不同光学响应波段的入射圆偏振光具有更强的响应性，增强手性光学元件的光学响应特征。
在一个可选的实施例中，至少一层介质膜的材料包括氧化铪、氧化钽、五氧化三钛、二氧化钛、氟化镁、二氧化硅、锗、硫化锌和硅等中的一种或多种。
在本申请实施例中，可根据目标波段选择不同的介质膜材料，如手性光学元件的光学响应波段为可见光所属波段或近红外光所属波段，则介质膜可选择氧化铪、氧化钽、五氧化三钛、二氧化钛、氟化镁和二氧化硅等中的一种或多种材料；若手性光学元件的光学响应波段为红外光所属波段，则介质膜可选择锗、硫化锌和硅等中的一种或多种材料，除此之外，还可以为其他材料的介质膜，在此，不做一一列举。
需要说明的是，当手性材料的螺距与入射光的波长同阶匹配时，就会产生布拉格(Bragg)共振散射：mλ＝Pnavgsinα，式中，m通常取1，λ为入射光波长，P为材料的螺距，navg为材料与环境的平均折射率，α为入射光与材料的夹角，当垂直入射时，sinα为1，因此，可以得出结论：手性结构对散射和透过的圆偏振光的选择性完全取决于手性结构在与光在对应波长上的匹配的手性，并且只与材料的折射率和手性结构有关。
下面结合具体的实施例对上述手性光学元件进行说明。
在本申请实施例中，通过设置回字纹形状的手性超结构2，并对手性超结构2的尺寸参数改变，使得手性超结构2的尺寸与响应波长共振匹配，同时结合麦克斯韦方程确定介质膜的厚度以及材料，实现对其手性光学响应波段和强度的调控，其中，光响应波段越大，呈回字纹形状的手性超结构2的圈数也随之增大，直至手性超结构2的尺寸与响应波长共振匹配为止。
在一个具体的实施例中，若光响应波段的入射圆偏振光为单波段(例如：入射圆偏振光的波长为532nm)，以使手性光学元件形成右旋透射增强元件，手性超结构2的尺寸的长和宽均可设置为532nm，以便于与单波段的入射圆偏振光进行匹配，其中，手性超结构2的回字纹的圈数、介质膜的线宽度以及手性超结构2中相邻边间的间距可适应于532nm进行调节，其调节范围如上述范围所述，对于介质膜的厚度以及材料可根据麦克斯韦方程进行确定，具体的，介质膜可为厚度为96nm的单层氟化镁。通过将手性光学元件设置成532nm的手性超结构2以及96nm的单层氟化镁的介质膜，此时手性光学元件对单波段的入射圆偏振光就有较好的抗反射特性，进而增强手性光学元件的光学响应特征。
需要说明的是：可根据入射圆偏振光的类型确定手性超结构2为右螺旋回字纹形状还是左螺旋回字纹形状，具体的，当入射圆偏振光为右圆偏振光时，则手性超结构2为左螺旋回字纹形状；当入射圆偏振光为左圆偏振光时，则手性超结构2为右螺旋回字纹形状。
在另一个具体的实施例中，若光响应波段的入射圆偏振光为近红外光波段(例如：入射圆偏振光的波长为780-1000nm)，以使手性光学元件形成右旋透射增强元件，手性超结构2的尺寸的长和宽均可设置为780-1000nm，以便于与近红外光波段的入射圆偏振光进行匹配，其中，手性超结构2的回字纹的圈数、介质膜的线宽度以及手性超结构2中相邻边间的间距可适应于780-1000nm进行调节，其调节范围如上述范围所述，对于介质膜的厚度以及材料可根据麦克斯韦方程进行确定，具体的，介质膜可为厚度为536.86nm的多层介质膜，其靠近基底1的一侧为第一层，以此类推，则多层介质膜的厚度以及材料如下表所示：
| 层数 | 材料 | 厚度/nm |
| 1 | Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub> | 97.57nm |
| 2 | SiO<sub>2</sub> | 179.55nm |
| 3 | Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub> | 31.09nm |
| 4 | SiO<sub>2</sub> | 106.98nm |
| 5 | Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub> | 121.67nm |
在上表多层介质膜中，各层介质膜重叠设置，通过将手性光学元件设置成780-1000nm的手性超结构2以及536.86nm的多层介质膜，此时手性光学元件对近红外光波段的入射圆偏振光就有较好的抗反射特性，进而增强手性光学元件的光学响应特征。
在另一个具体的实施例中，若光响应波段的入射圆偏振光为近红外光波段(例如：入射圆偏振光的波长为780-1000nm)，以使手性光学元件形成右旋反射增强元件，手性超结构2的尺寸的长和宽均可设置为780-1000nm，以便于与近红外光波段的入射圆偏振光进行匹配，其中，手性超结构2的回字纹的圈数、介质膜的线宽度以及手性超结构2中相邻边间的间距可适应于780-1000nm进行调节，其调节范围如上述范围所述，对于介质膜的厚度以及材料可根据麦克斯韦方程进行确定，具体的，介质膜可为厚度为1603.54nm的多层介质膜，其靠近基底1的一侧为第一层，以此类推，则多层介质膜的厚度以及材料如下表所示：
| 层数 | 材料 | 厚度/nm |
| 1 | Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub> | 98.00 |
| 2 | SiO<sub>2</sub> | 145.07 |
| 3 | Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub> | 97.98 |
| 4 | SiO<sub>2</sub> | 145.10 |
| 5 | Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub> | 97.97 |
| 6 | SiO<sub>2</sub> | 145.15 |
| 7 | Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub> | 97.97 |
| 8 | SiO<sub>2</sub> | 145.10 |
| 9 | Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub> | 97.97 |
| 10 | SiO<sub>2</sub> | 145.11 |
| 11 | Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub> | 97.97 |
| 12 | SiO<sub>2</sub> | 290.15 |
在上表多层介质膜中，各层介质膜重叠设置，通过将手性光学元件设置成780-1000nm的手性超结构2以及1603.54nm的多层介质膜，此时手性光学元件对近红外光波段的入射圆偏振光就有较好的反射特性，进而增强手性光学元件的光学响应特征。
在本申请实施例中还提供了一种制备上述手性光学元件的方法，如图5所示，其为本申请实施例提供的一种手性光学元件的制备方法的流程示意图，包括以下步骤：
S1：提供基底1；
在本申请实施例中，基底1包括石英基底、硅基底和锗基底中的至少一种，可实际情况选择不同的基底材料，在此需要说明的是，本实施例中仅仅列举常用的三种基底1的类型，还可以为其他材质的基底，例如，在此不做具体的界定。
在一个具体的实施例中，可根据目标波段选择合适的基底1材料，如手性光学元件的光学响应波段为可见光所属波段或近红外光所属波段，则基底1可选择在上述波段呈现透明的石英基底；若手性光学元件的光学响应波段为红外光所属波段，则基底1可选择在上述波段呈现透明的硅基底和锗基底，在此，也可以为在手性光学元件的光学响应波段呈现透明的其他基底，在此，不做一一列举。
S2：在基底1上形成光刻胶层；
在本申请实施例中，可以使用匀胶机在基底1上涂抹一层电子束光刻胶，进而形成光刻胶层。
S3：用带有手性超结构图形的光刻板进行曝光，在基底1上形成至少一个手性超结构2的预设图案；
在本申请实施例中，通过用带有手性超结构图形的光刻板进行曝光，其中曝光的方法可以包括电子束曝光和显影技术，借助电子束曝光和显影技术根据特定的参数设定成所需的预设图案，在此，预设图案包括右螺旋回字纹形状或左螺旋回字纹形状，具体的预设图案的设定尺寸可根据上述手性光学元件中所描述的尺寸，在此不做赘述。
S4：对基底1形成预设图案的一侧进行介质膜沉积，以在基底1的预设图案处生成至少一层介质膜，以得到至少一个手性超结构2；其中，各层介质膜重叠；
在本申请实施例中，介质膜沉积的方法可以包括电子束蒸发、化学气相沉积法和磁控溅射法等，在基底1的预设图案处生成至少一层介质膜，在此对介质膜的描述可参考上述手性光学元件中所描述的材质和厚度来进行设定，在此不做赘述。
S5：去除基底1上的残余光刻胶，得到手性光学元件。
在本申请实施例中，使用正性去胶液去除残余光刻胶，进而得到手性光学元件。
本申请用于制备手性光学元件的方法简单易操作，成功率高，且成本较低，便于推广。
鉴于上述对手性光学元件以及对其的制备方法的详细描述，可知，本申请提供的一种手性光学元件及其制备方法，具有如下技术效果：
1、本申请通过设置呈回字纹形状的手性超结构，并通过对该手性超结构的参数改变，使得手性超结构的尺寸与响应波长共振匹配，实现对其手性光学响应波段和强度的调控。
2、本申请通过对至少一层介质膜的层数、材质以及厚度的设置，同时结合对手性超结构的尺寸进行设定，使得形成对手性光学元件的光学响应波段具有抗反射和反射的介质膜，使得对处于不同光学响应波段的入射圆偏振光具有更强的响应性，增强手性光学元件的光学响应特征。
3、本申请用于制备手性光学元件的方法简单易操作，成功率高，且成本较低，便于推广。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种手性光学元件，其特征在于，包括：基底(1)与设置在所述基底(1)上的至少一个手性超结构(2)；
单个所述手性超结构(2)包括至少一层介质膜，各层介质膜重叠设置。
2.根据权利要求1所述的手性光学元件，其特征在于，所述手性超结构(2)呈回字纹形状。
3.根据权利要求2所述的手性光学元件，其特征在于，所述手性超结构(2)呈为右螺旋回字纹形状或左螺旋回字纹形状。
4.根据权利要求2所述的手性光学元件，其特征在于，所述手性超结构(2)中相邻边间的间距为50-100nm。
5.根据权利要求1所述的手性光学元件，其特征在于，所述手性超结构(2)的单层介质膜为螺旋膜线结构。
6.根据权利要求1或5所述的手性光学元件，其特征在于，所述介质膜的线宽度为10-30nm。
7.根据权利要求2所述的手性光学元件，其特征在于，所述手性超结构(2)的回字纹的外圈尺寸与所述手性光学元件的光学响应波段相匹配。
8.根据权利要求1所述的手性光学元件，其特征在于，所述至少一层介质膜的材料包括氧化铪、氧化钽、五氧化三钛、二氧化钛、氟化镁、二氧化硅、锗、硫化锌和硅等中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的手性光学元件，其特征在于，所述基底(1)包括石英基底、硅基底和锗基底中的至少一种。
10.一种用于制备如权利要求1～9任一项所述的手性光学元件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供基底(1)；
在所述基底(1)上形成光刻胶层；
用带有手性超结构图形的光刻板进行曝光，在所述基底(1)上形成至少一个手性超结构(2)的预设图案；
对所述基底(1)形成所述预设图案的一侧进行介质膜沉积，以在所述基底(1)的预设图案处生成至少一层介质膜，以得到所述至少一个手性超结构(2)；其中，各层介质膜重叠；
去除所述基底(1)上的残余光刻胶，得到手性光学元件。
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