CN111323929B - 手性光学元件、手性光学加密组件及手性元件设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种手性光学元件、手性光学加密组件及手性元件设计方法，涉及光学手性构筑和光学加密技术领域，本发明提供的手性光学元件，包括：基底和连接在基底上的金属微结构；金属微结构包括：第一弧形部、第二弧形部和延伸部，第一弧形部对应的圆心角与第二弧形部对应的圆心角互为对顶角；延伸部连接在第一弧形部和第二弧形部之间，并沿第一弧形部和第二弧形部中的任一圆心角的边线延伸。本发明提供的手性光学元件的光学响应具有显著的光自旋选择特性，且其工作波长和响应强度可以被灵活地调控。

Description

手性光学元件、手性光学加密组件及手性元件设计方法

技术领域

本发明涉及光学手性构筑和光学加密技术领域，尤其是涉及一种手性光学元件、手性光学加密组件及手性元件设计方法。

背景技术

左旋和右旋偏振光场自旋相反，在与物质相互作用过程中表现出固有手性，进而手性物质在与光场相互作用的过程中表现出旋光性和二向色性。对物质的旋光性和二向色性进行测量是鉴别物质手性的主要方式。然而，自然界中手性分子和原子的尺寸与光波的波长相比非常的小，手性物质的手性光学响应非常微弱，一方面不利于对手性产生机制的研究，另一方面也造成了利用自然界现有材料无法实现对圆偏振光场的有效调控。基于人工微结构通过对其光学响应的合理设计可以实现强度远超于自然界材料的手性光学响应，人工微结构中光学手性的精准构筑在药物检测、分子官能团检测、量子信息等领域具有重要的应用价值。然而目前人工微结构中手性光学响应的工作波长和响应强度的可调控范围有限，无法通过对微结构结构参数的有限变化实现对其手性光学响应响应波段和强度的深度调控。

发明内容

本发明的目的在于提供一种手性光学元件、手性光学加密组件及手性元件设计方法，能够在宽波段范围内实现对入射圆偏振光波趋近于完全的反射，且能够形成具有显著的手性光学响应特性的手性光学元件，且其手性光学响应特性具有很高的可控性。

第一方面，本发明提供的手性光学元件，包括：基底和连接在所述基底上的金属微结构；

所述金属微结构包括：第一弧形部、第二弧形部和延伸部，所述第一弧形部对应的圆心角与所述第二弧形部对应的圆心角互为对顶角；

所述延伸部连接在所述第一弧形部和所述第二弧形部之间，并沿所述第一弧形部和所述第二弧形部中的任一圆心角的边线延伸。

结合第一方面，本发明提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述第一弧形部的圆心角为45°～120°。

结合第一方面，本发明提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述金属微结构还包括第三弧形部，所述第三弧形部连接在所述延伸部的端部，且所述第三弧形部的延伸方向与所述第一弧形部的延伸方向相反。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述第三弧形部的圆心角为15°～45°。

结合第一方面，本发明提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述基底包括：金属层和连接所述金属层的电介质层，所述金属微结构连接在所述电介质层背离所述金属层的一侧。

第二方面，本发明提供的手性光学加密组件，包括：第三光学元件和第四光学元件，所述第三光学元件与所述第四光学元件镜像对称，且所述第三光学元件和所述第四光学元件均包括第一方面的第二或第三种实施方式提供的手性光学元件。

第三方面，本发明提供的手性光学加密组件，包括：第一光学，以及，第三光学元件和/或第四光学元件；

所述第一光学元件包括第一方面的第一或第四种实施方式提供的手性光学元件。

第四方面，本发明提供的手性光学加密组件，包括：第一光学元件和/或第二光学元件，以及，第三光学元件和/或第四光学元件；

所述第一光学元件与所述第二光学元件镜像对称，且所述第一光学元件和所述第二光学元件均包括第一方面的第一或第四种实施方式提供的手性光学元件。

其中，所述第三光学元件与所述第四光学元件镜像对称，且所述第三光学元件和所述第四光学元件均包括第一方面的第二或第三种实施方式提供的手性光学元件。

第五方面，本发明提供的手性元件设计方法，针对第一方面提供的手性光学元件，通过调整所述第一弧形部对应的圆心角大小，以改变所述手性光学元件的工作波长。

第六方面，本发明提供的手性元件设计方法，针对第一方面的第二或第三种实施方式提供的手性光学元件，通过调整所述第三弧形部对应的圆心角大小，以改变所述手性光学元件的手性光学响应强度。

本发明实施方式带来了以下有益效果：采用金属微结构包括：第一弧形部、第二弧形部和延伸部，第一弧形部对应的圆心角与第二弧形部对应的圆心角互为对顶角，延伸部连接在第一弧形部和第二弧形部之间，并沿第一弧形部和第二弧形部中的任一圆心角的边线延伸，从而可以在宽波段范围内实现对入射圆偏振光波趋近于完全的反射。且可在此基础上形成具备显著手性光学响应的手性光学元件，可以在工作波段下实现对一种圆偏振光波的趋近于完全反射，以及对正交圆偏振光波趋近于完全吸收。可以通过同时调整第一弧形部和第二弧形部对应的圆心角大小，从而改变手性光学元件的工作波长，进而使手性光学响应特性具有非常高的可调控性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施方式，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或相关技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施方式提供的一种手性光学元件的示意图；

图2为本发明实施方式提供的另一种手性光学元件的示意图；

图3为本发明实施方式提供的手性光学加密组件的示意图；

图4为本发明实施方式提供的手性光学加密组件的第三光学元件在圆偏振光垂直照射下的反射谱示意图；

图5为本发明实施方式提供的手性光学加密组件的第四光学元件在圆偏振光垂直照射下的反射谱示意图；

图6为本发明实施方式提供的手性光学元件在圆偏振光垂直照射下在工作波长处反射强度随第三弧形部对应圆心角变化的示意图；

图7为本发明实施方式提供的手性光学元件在圆偏振光垂直照射下的工作波长，以及在工作波长处反射强度随第一弧形部和第二弧形部对应圆心角变化的示意图。

图标：100-基底；110-金属层；120-电介质层；200-金属微结构；210-第一弧形部；220-第二弧形部；230-延伸部；240-第三弧形部；LCP-左旋偏振光；RCP-右旋偏振光；x-第一方向；y-第二方向；z-第三方向。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。公式中的物理量，如无单独标注，应理解为国际单位制基本单位的基本量，或者，由基本量通过乘、除、微分或积分等数学运算导出的导出量。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施方式一

如图1所示，本发明实施方式提供的手性光学元件，包括：基底100和连接在基底100上的金属微结构200；金属微结构200包括：第一弧形部210、第二弧形部220和延伸部230，第一弧形部210对应的圆心角与第二弧形部220对应的圆心角互为对顶角；延伸部230连接在第一弧形部210和第二弧形部220之间，并沿第一弧形部210和第二弧形部220中的任一圆心角的边线延伸。

具体地，第一弧形部210和第二弧形部220的外径为230nm，第一弧形部210和第二弧形部220的内径为160nm，金属微结构200的厚度为70nm。通过改变第一弧形部210和第二弧形部220的弧长，可以控制产生手性吸收的波长，从而实现对手性光学元件工作波长的调控，可以在宽波段范围内实现对入射圆偏振光波趋近于完全的反射。

在本发明实施方式中，第一弧形部210的圆心角为45°～120°。其中，第一弧形部210的圆心角可配置为68°或者85°。

具体地，第一弧形部210的圆心角与第二弧形部220的相等，第一弧形部210的圆心角自45°连续变化至120°，在此基础上可形成手性光学响应相反的手性光学元件，其工作波长将从1000nm连续变化到1900nm，而其手性光学响应强度保持不变，即对两种正交圆偏振态的反射率保持不变。

实施方式二

如图2所示，在实施方式一的基础上，金属微结构200还包括第三弧形部240，第三弧形部240连接在延伸部230的端部，且第三弧形部240的延伸方向与第一弧形部210的延伸方向相反。

具体地，第三弧形部240的外径为230nm，第三弧形部240的内径为160nm，第一弧形部210与第三弧形部240共同形成连续的圆弧部。通过改变第三弧形部240的弧长，可以控制在工作波长处手性光学响应的强度。

进一步的，第三弧形部240的圆心角为15°～45°。

具体地，第三弧形部240对应的圆心角从15°连续变化到45°，且第一弧形部210的圆心角与第二弧形部220的圆心角保持为85°时，手性光学元件对一种圆偏振光的反射率将从87％变化到3％，而对另一种圆偏振光的反射率保持稳定，从而实现对其手性光学响应强度的有效调控。

如图1和图2所示，在实施方式一或实施方式二的基础上，基底100包括：金属层110和连接金属层110的电介质层120，金属微结构200连接在电介质层120背离金属层110的一侧。

具体地，金属层110采用铝金属薄膜，厚度为200nm；电介质层120采用二氧化硅电介质，厚度为180nm。

实施方式三

如图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明实施方式提供的手性光学加密组件，包括：第一光学元件，以及，第三光学元件和/或第四光学元件。第一光学元件包括实施方式一提供的手性光学元件；第三光学元件与第四光学元件镜像对称，且第三光学元件和第四光学元件均包括实施方式二提供的手性光学元件。

具体的，第一光学元件的光学功能为宽带的偏振保护反射镜，即左旋圆偏振入射下反射光波仍为左旋偏振光波，右旋圆偏振光波入射下反射光波仍为右旋偏振光波。第三光学元件在工作波长处吸收左旋偏振光且对右旋偏振光近完全反射，呈现出左手手性。第四光学元件的手性光学响应与第三光学元件完全相反，即在工作波长处吸收右旋偏振光且对左旋偏振光近完全反射，呈现出右手手性。例如：第一光学元件标记为白色，第三或第四光学元件中的其一标记为黑色，在工作波长，且具有旋性的偏振光照射下可以显现二维码。

需要说明的是，第三方向z垂直于基底100的顶面，第一方向x、第二方向y和第三方向z两两垂直，第三光学元件与第四光学元件相对平行于第二方向y的轴线对称。第三光学元件分别在左旋偏振光LCP和右旋偏振光RCP的照射下，反射率存在差异；第四光学元件分别在左旋偏振光LCP和右旋偏振光RCP的照射下，反射率存在差异；并且，第三光学元件的反射谱示性能与第四光学元件的反射谱示性能相反。

实施方式四

如图2、图3、图4和图5所示，本发明实施方式提供的手性光学加密组件，包括：第三光学元件和第四光学元件，第三光学元件与第四光学元件镜像对称，且第三光学元件和第四光学元件均包括实施方式二提供的手性光学元件。

具体地，第三光学元件和第四光学元件相对于平行于第二方向y的轴线对称，第三光学元件在1384nm光波入射下吸收左旋偏振光，呈现出左手手性；第四光学元件在1384nm光波入射下吸收右旋偏振光，呈现出右手手性。第三光学元件与第四光学元件的手性光学响应正好相反，且在保证某一旋性的光趋近于被完全吸收，并使另一旋性的光高效反射。第三光学元件和第四光学元件的手性光学响应在入射光的入射角度小于30度的时候保持稳定。

实施方式五

如图1和图2所示，本发明实施方式提供的手性光学加密组件，包括：第一光学元件和/或第二光学元件，以及，第三光学元件和/或第四光学元件。

其中，第一光学元件与第二光学元件镜像对称，且第一光学元件和第二光学元件均包括实施方式一提供的手性光学元件；第三光学元件与第四光学元件镜像对称，且第三光学元件和第四光学元件均包括实施方式二提供的手性光学元件。

具体地，手性光学加密组件包括第一光学元件和第二光学元件中的至少其一，还包括第三光学元件和第四光学元件中的至少其一。在一定波长，且具有旋性的偏振光的照射下，第一光学元件和第二光学元件可以在宽波段范围内实现对入射圆偏振光波趋近于完全的反射，第三光学元件和第四光学元件吸收率与反射率存在差异。未被金属微结构200覆盖的基底100作为衬底，第一光学元件、第二光学元件、第三光学元件和第四光学元件分别作图案元素，在特定波长，且具有旋性的偏振光照射下，可使图案显现；在自然光或非工作波长偏振光的照射下，图案不被显现，从而实现光学加密。例如：第一光学元件或第二光学元件标记为白色，第三或第四光学元件中的其一标记为黑色，在工作波长，且具有旋性的偏振光照射下可以显现二维码。第三光学元件和第四光学元件中的其一标记为黑色，另一标记为白色，可形成具有光学加密性能的图案。

实施方式六

如图2和图7所示，本发明实施方式提供的手性元件设计方法，针对实施方式二提供的手性光学元件，通过调整第一弧形部210和第二弧形部220对应的圆心角大小，以改变手性光学元件的工作波长。以第三光学元件为例，图7中的横轴为，第一弧形部210和第二弧形部220对应的圆心角，第一弧形部210和第二弧形部220的圆心角相等，且自45°连续变化至120°，手性光学元件的吸收波长将从1000nm连续变化到1900nm，从而实现对手性光学元件工作波长的调控。

实施方式七

如图2和图6所示，本发明实施方式提供的手性元件设计方法，针对实施方式二提供的手性光学元件，通过调整第三弧形部240对应的圆心角大小，以改变手性光学元件的手性光学响应强度。以第三光学元件为例，图6中横轴为第三弧形部240对应的圆心角，第三弧形部240对应的圆心角从15°连续变化到45°，手性光学元件对特定圆偏振光的反射率将从87％变化到3％，从而实现对手性光学响应强度的有效调控。

手性光学元件中微结构的设计简洁，通过改变第一弧形部210、第二弧形部220和第三弧形部240的圆心角，可以对其手性光学响应的响应强度和工作波长进行大范围的独立调控，且其手性光学响应在光波入射角度小于30°时保持稳定，因此其具有易于加工、稳定性高和可控性高的特点，可以在1000nm到1900nm的波段范围内的任意波长处实现强度可控的手性光学响应。

最后应说明的是：以上各实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种手性光学元件，其特征在于，包括：基底(100)和连接在所述基底(100)上的金属微结构(200)；

所述金属微结构(200)包括：第一弧形部(210)、第二弧形部(220)和延伸部(230)，所述第一弧形部(210)对应的圆心角与所述第二弧形部(220)对应的圆心角互为对顶角；

所述延伸部(230)连接在所述第一弧形部(210)和所述第二弧形部(220)之间，并沿所述第一弧形部(210)和所述第二弧形部(220)中的任一圆心角的边线延伸；

所述金属微结构(200)还包括第三弧形部(240)，所述第三弧形部(240)连接在所述延伸部(230)的端部，且所述第三弧形部(240)的延伸方向与所述第一弧形部(210)的延伸方向相反。

2.根据权利要求1所述的手性光学元件，其特征在于，所述第一弧形部(210)的圆心角为45°～120°。

3.根据权利要求1所述的手性光学元件，其特征在于，所述第三弧形部(240)的圆心角为15°～45°。

4.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(100)包括：金属层(110)和连接所述金属层(110)的电介质层(120)，所述金属微结构(200)连接在所述电介质层(120)背离所述金属层(110)的一侧。

5.一种手性光学加密组件，其特征在于，包括：第三光学元件和第四光学元件，所述第三光学元件与所述第四光学元件镜像对称，且所述第三光学元件和所述第四光学元件均包括权利要求1或3所述的手性光学元件。

6.一种手性元件设计方法，其特征在于，针对权利要求1-4任一项所述的手性光学元件，通过调整所述第一弧形部(210)对应的圆心角大小，以改变所述手性光学元件的工作波长。

7.一种手性元件设计方法，其特征在于，针对权利要求1或3所述的手性光学元件，通过调整所述第三弧形部(240)对应的圆心角大小，以改变所述手性光学元件的手性光学响应强度。

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