【摘 要】
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手性结构在自然界中广泛存在,例如与人类生存息息相关的DNA分子和氨基酸。因此,探究手性结构的光学响应已经成为一个热点问题,并被广泛应用于生物、化学和医学领域。然而天然材料手性光学信号通常较弱,难以满足实际需求,如何提高手性物质的手性信号成为了亟待解决的问题。超材料作为二十一世纪以来光学领域一个研究热点,曾多次被《Science》杂志评为十大科学进展。周期性排布的单元结构和亚波长尺寸使其具有了能够有
【基金项目】
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刘海龙,冯月,基于超材料纳米结构单层二硫化钼发光特性及谷自由度的操控研究,国家自然科学基金项目,项目编号:11674275; 刘海龙,冯月,基于带隙可调谐光子晶体/单层二硫化钼的动态发光器件研究,河北省自然科学基金项目,项目编号:F2020203110; 吴希军,冯月,基于过渡金属硫化物二维材料-三维光子晶体复合纳米结构表面增强光谱的食用植物油品质鉴别机理研究,河北省自然科学基金 项目,项目编号:
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手性结构在自然界中广泛存在,例如与人类生存息息相关的DNA分子和氨基酸。因此,探究手性结构的光学响应已经成为一个热点问题,并被广泛应用于生物、化学和医学领域。然而天然材料手性光学信号通常较弱,难以满足实际需求,如何提高手性物质的手性信号成为了亟待解决的问题。超材料作为二十一世纪以来光学领域一个研究热点,曾多次被《Science》杂志评为十大科学进展。周期性排布的单元结构和亚波长尺寸使其具有了能够有效操纵电磁波的能力。因此,手性纳米结构超材料应运而生,通过超材料独特的电磁响应来增强手性信号具有重要的研究价值,另外,将手性特征引入到人工超材料可以丰富超材料研究领域的多样性,尤其在实现对圆偏振光的操控方面。因此,本文基于手性超材料的研究现状,围绕手性结构的光学响应,设计了两种手性纳米结构分别对圆二色性和相位调控特性进行了研究。本文首先设计了一种由金属材料和相变材料GST组成的复合手性纳米结构超材料,该复合结构在光垂直入射下能够产生巨大的圆二色性,且其结构简单,便于加工制造。更为重要的是,该复合结构利用相变材料不同相态下的折射率的巨大差异性,以及不同相态之间快速和可逆切换的光学特性实现了在近红外波段圆二色性的动态调谐。随着GST相变程度的增加,结构的圆二色性光谱的峰位发生红移且峰值逐渐减小。该结构避免了超材料的形状大小一旦加工成型其光学性能也被彻底固定无法改变的问题,具有更高的灵活性,为可调超材料的设计研究提供了新的思路。其次,本文还研究设计了一种用于相位控制和光束转向的3D手性超材料。它由周期性排列的双层圆弧纳米结构单元组成。通过调整下层圆弧的中心角度研究了在圆偏振光垂直入射下的空间相位分布,采用基于Born-Kuhn模型的近场分析方法,从理论上解释了该结构对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光不同的光学响应。结果表明,在左旋和右旋圆偏振光入射下,3D手性纳米结构分别支持等离子体“反键”和“键合”模式。基于该结构对相位的调控,建立了对圆偏振光异常控制的3D手性超材料光束偏转器,在900nm到1150nm近红外波段实现了对左旋圆偏振光的异常反射以及对右旋圆偏振光的镜面反射。这在手性光学成像、偏振检测、全息等方面具有重要意义。
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