光学超构表面的设计、制备方法和圆二色性光谱测试系统技术方案

本发明专利技术公开了一种光学超构表面的设计、制备方法和圆二色性光谱测试系统，涉及光学活性物质的光谱分析领域。本发明专利技术中的圆二色性光谱测试系统包括宽带光源、光学超构表面、物镜、透镜和光谱仪，采用光学超构表面对入射光中左旋圆偏振和右旋圆偏振光成分实现分束聚焦，经过被测样品后两束光同时进入光谱仪的狭缝，出来的信号进行简单地运算后可直接得到微区样品的圆二色光谱。本发明专利技术可以同时记录光线的左旋偏振光和右偏振光对应的光谱信号，实现快速地测量样本的圆二色性光谱。测量样本的圆二色性光谱。测量样本的圆二色性光谱。

【技术实现步骤摘要】
光学超构表面的设计、制备方法和圆二色性光谱测试系统


[0001]本专利技术涉及光学活性物质的光谱分析领域，特别是涉及一种光学超构表面的设计、制备方法和圆二色性光谱测试系统。

技术介绍

[0002]当光通过光学活性物质时，物质对左旋圆偏振光(LCP)和右旋圆偏振光(RCP)的吸收率不同，两者之差被称为圆二色性(Circular Dichroism，简写为CD)。圆二色性光谱(CD Spectroscopy)是一种光谱技术，被广泛用于研究各种类型的手性分子，特别是大的生物分子。例如，蛋白质的二级结构对环境、温度或PH值都很敏感，CD光谱可用于观察蛋白质的二次结构随着环境改变或与其他分子相互作用而产生的变化。
[0003]传统的圆二色光谱测试系统，在50kHz左右的交流电压驱动下，利用光弹性调制器，交替产生左旋圆偏振光、右旋圆偏振光。调制出来的左旋圆偏振光、右旋圆偏振光经过待测试样品后，由探测器检测后输入放大器和相敏检测器，将测得的信号再进行运算得到CD。因此，设备往往比较复杂，且测试的结果不是实时的。由此可见，现有技术无法同时实现对左、右旋圆偏振光的分束聚焦以及同时入射光谱仪，而且测试系统较为复杂，检测效率较低。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的在于提供一种光学超构表面的设计、制备方法和圆二色性光谱测试系统，可以解决相关技术中无法同时实现对左、右旋圆偏振光的分束聚焦以及同时入射光谱仪，而且测试系统较为复杂，检测效率较低的问题。
[0005]本专利技术中的光学超构表面具有对左、右旋圆偏振光的分束聚焦功能，其中聚焦功能所需要的基础相位分布为其中f表示该光学超构表面的焦距，λ表示该光学超构表面正常工作时的入射光的中心波长，x，y表示以该光学超构表面几何中心点为原点建立坐标系的坐标位置；分束偏折所需要的基础相位分布为其中θ
i
和θ
t
分别表示入射光的入射角度和透射角度，y方向与光谱仪的狭缝方向一致，Δy表示焦点沿y方向偏折的距离，为常数相位因子。当入射光垂直该光学超构表面入射时，Δy＝f
·
sinθ
t
，由此，该光学超构表面需要引入相位分布即可同时实现入射光的聚焦和沿y方向的偏折功能。为实现左、右旋圆偏振光的分束聚焦，左旋圆偏振光的透射角度θ
t,LCP
和右旋圆偏振光的透射角度θ
t,RCP
相反，满足θ
t,LCP
＝
‑
θ
t,RCP
。
[0006]本专利技术中的光学超构表面是由工作波段内的透明衬底和纳米级各向异性亚波长
结构组成的，当入射光与各向异性亚波长结构相互作用后，入射光的圆偏振态会发生反转同时产生几何相位因子e
2iσα
，其中σ＝
±
1表示入射光的圆偏振态，
‑
1表示左旋圆偏振光，+1表示右旋圆偏振光；α表示各向异性亚波长结构在平面上的方位角。所以，纳米级的各向异性结构的方向角分布为其中表示光学超构表面的相位分布，α(x,y)表示各向异性亚波长结构的方向角。那么，通过设计各向异性波长结构的方向角就可以实现对入射光的相位从0
‑
2π的连续调控，左、右旋圆偏振状态的入射光引起的相位变化符号相反。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术的一个方面提供了一种圆二色性光谱测试系统中的超构表面的设计方法，包括以下步骤：
[0008]获取光学超构表面的焦距f和入射光的中心波长λ；
[0009]分别确定圆偏振聚焦功能和圆偏振偏折功能所需的相位分布，并得到所述光学超构表面所需引入的相位分布；
[0010]基于所述光学超构表面所需引入的相位分布，利用光学几何相位原理，分别获取针对左旋圆偏振光工作的结构单元的方向角分布和针对右旋圆偏振光工作的结构单元的方向角分布；
[0011]根据每个结构单元的方向角分布设计相应的具体实现结构，最终组成所述光学超构表面。
[0012]进一步地，所述圆偏振聚焦功能所需的相位分布为：
[0013]其中，x,y表示坐标位置。
[0014]进一步地，所述圆偏振偏折功能所需的相位分布为：
[0015][0016]其中，x,y表示坐标位置，θ
i
和θ
t
分别表示入射角和透射角度，为常数相位因子。
[0017]通过上述五个步骤设计的超构表面可以对入射光中左旋圆偏振光和右旋圆偏振光成分实现分束聚焦。
[0018]在一示例性实施例中，所述超构表面的设计方法是采用划分两块宏观区域的方法实现，所述两块宏观区域分别针对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。
[0019]在一示例性实施例中，所述超构表面的设计方法是采用空间复用的方式实现，所述空间中的每个结构单元中同时包含针对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光工作的结构单元。
[0020]本专利技术的另一方面提供了一种光学超构表面，所述超构表面是按照上述设计方法进行设计的。所述超构表面包括透明衬底和介质纳米柱。
[0021]在一示例性实施例中，所述介质纳米柱的材料为硅、二氧化钛或氮化硅。
[0022]本专利技术的又一方面提供了一种上述光学超构表面的制备方法，包括以下步骤：
[0023]在透明玻璃衬底上制备介质层；
[0024]在所述介质层上旋涂电子束光刻正胶，然后刻写设计好的图案并显影；
[0025]利用电子束蒸镀技术，在所述介质层以及所述电子束光刻正胶上制备金属保护层；
[0026]去除所述电子束光刻正胶以及所述电子束光刻正胶上的金属保护层，保留所述介质层上的金属保护层；
[0027]采用等离子体刻蚀工艺在所述介质层中刻写所述超构表面图案；
[0028]去除所述介质层上的金属保护层。
[0029]在一示例性实施例中，所述圆二色性光谱测试系统采用了上述设计方法设计的超构表面。所述圆二色性光谱测试系统，包括宽带光源、第一透镜、所述超构表面、物镜、第二透镜和光谱仪；
[0030]所述宽带光源发出的入射光经过第一透镜、所述超构表面后实现圆偏振分束聚焦，分束聚焦后的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光照射到待测试样品上，所述物镜和第二透镜配合收集照射待检测样品后的光束，所述光束进入光谱仪的狭缝中，所述光谱仪同时记录待检测样品对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的吸收光谱信息A(λ)
LCP
和A(λ)
RCP
，通过编程控制所述光谱仪计算CD＝A(λ)
LCP
‑
A(λ)
RCP
实时测得待检测样品的圆二色性光谱。
[0031]与现有技术相比，本专利技术圆二色性光谱测试系统中，光源发射出的光经过单个光学超构表面可以实现左、右旋圆偏振光的分束聚焦，即同时产生左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。这两束圆偏振光能够同时经过待测试样品，同时入射到光谱仪，从而实现快速实时测试。从而解决了现有技术中交替产生左旋偏振光和右本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光学超构表面的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：获取光学超构表面的焦距f和入射光的中心波长λ；分别确定圆偏振聚焦功能和圆偏振偏折功能所需的相位分布，并得到所述光学超构表面所需引入的相位分布；基于所述光学超构表面所需引入的相位分布，利用光学几何相位原理，分别获取针对左旋圆偏振光工作的结构单元的方向角分布和针对右旋圆偏振光工作的结构单元的方向角分布；根据每个结构单元的方向角分布设计相应的具体实现结构，最终组成所述光学超构表面。2.如权利要求1所述的光学超构表面的设计方法，其特征在于，利用以下公式确定所述圆偏振聚焦功能所需的相位分布：和/或利用如下公式确定所述圆偏振偏折功能所需的相位分布：其中，x,y表示坐标位置，θ
i
和θ
t
分别表示入射角和透射角度，为常数相位因子。3.如权利要求2所述的光学超构表面的设计方法，其特征在于，得到所述光学超构表面所需引入的相位分布后，将所述光学超构表面划分为分别针对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光工作的第一区域和第二区域，且所述第一区域和第二区域的面积相同。4.如权利要求3所述的光学超构表面的设计方法，其特征在于，按照以下公式获取针对左旋圆偏振光工作的结构单元的方向角分布：其中坐标系(x1，y1)是以所述第一区域的中心位置为原点建立的坐标系；按照以下公式获取针对右旋圆偏振光工作的结构单元的方向角分布：其中坐标系(x2，y2)是以所述第二区域的中心位置为原点建立的坐标系。5.如权利要求3所述的光学超构表面的设计方法，其特征在于，得到所述光学超构表面所需引入的相位分布后，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李贵新，刘萱，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：