超材料诱导手性光学效应的研究

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手性是指几何结构或者空间点阵无法与其镜像重合的特性,其存在于自然界中大部分的生物分子中,是自然界及人类赖以生存的基本属性之一,因此,探测物质的手性信号己成为科研工作者研究的热点。但是天然存在的手性物质的手性信号非常微弱,且位于近紫外波段,这就极大地限制了它的检测灵敏度和应用。而手性超材料所产生的手性信号相比于天然手性物质可以强上几个数量级,并能拓展到可见光及近红外波段,具有非常广泛的应用前景。但是,目前大部分手性超材料其加工工艺都比较复杂、烦琐,加工成本较高。所以,设计一种容易制备的具有较强手性效应的手性超材料极为重要。本文提出了一种异质网状手性超材料(Heterogeneous reticulated chiral metamaterial,HRCM)结构,包括平面与三维两种情况,并分别研究了其圆二色性和产生圆二色性的机理。主要研究工作如下:(1)设计了一种由金栅与银栅组成的平面异质网状手性超材料(PHRCM)结构,互不正交的金栅与银栅所组成的复合结构破坏了介电常数空间分布的对称性,使结构具有手性,结构在可见光波段具有较大的圆二色性(CD)。通过有限元法(FEM),对组成结构单元的金栅与银二维光栅之间表面等离激元共振耦合特性进行了研究。不同旋向的光激发下两者共振耦合模式不同,引起吸收差异,最终产生圆二色性。通过对复合结构的结构参数进行优化,异质网状手性超材料结构最大能获得40%的CD信号,胜过大部分手性平面超材料结构。(2)进一步设计了一种三维异质网状手性超材料(3D-HRCM)结构,通过改变复合结构中金栅或银栅厚度,以此在两者之间引入高度差,进一步破坏结构的对称性。相比于平面手性结构,三维异质网状手性超材料结构能有效增强RCP激发下结构的吸收系数,进一步增强CD信号。通过优化各个结构参数,最大能获得45%的CD信号,相比于平面结构,CD信号提升12.5%。(3)搭建激光干涉系统,研究了手性结构的制备工艺。通过优化涂胶、前烘、曝光、显影等步骤中的各个参数,制备出质量较好的异质网状手性超材料。实验测得有22%的CD信号,证明结构具有较好的手性效应。
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