本發(fā)明屬于光學濾波器件、手性光學領域，具體涉及一種自旋選擇可調(diào)型超窄帶濾波器及其自旋選擇性調(diào)節(jié)方法。

背景技術：

1、光學濾波器，通常指能夠對特定頻率或者波長的光進行傳輸調(diào)控的器件。光學濾波器有許多種，按照結構劃分包括衍射光柵濾波器、受激布里淵散射濾波器、諧振環(huán)濾波器等，按照功能劃分包括帶通濾波器、邊緣濾波器、多通道濾波器等，按照工作波段劃分包括紫外濾波器、可見光濾波器、紅外濾波器等。光學濾波器的結構、功能、工作波段之豐富也使其被廣泛應用于通信、傳感、拉曼光譜、熒光成像等眾多領域中。作為光波傳輸調(diào)控的重要部件，光學濾波器發(fā)展至今已經(jīng)相對比較成熟，國內(nèi)外已經(jīng)形成一批產(chǎn)業(yè)能夠批量生產(chǎn)傳統(tǒng)的光學濾波器件，常見的公司包括semrock、andover、asahi、alluxa、delta等。近年來，隨著生物、物理、化學等領域在納米層面的蓬勃發(fā)展，對光學技術及光學器件的分辨率、多功能性、易集成性提出了更高的要求。光學濾波器作為最重要的光學傳輸調(diào)控元器件之一，其新功能的開發(fā)、分辨率的提升、易集成性的提升尤為重要。

2、光學超表面，有望為新型高分辨、易集成光學濾波器的開發(fā)提供有效途徑。光學超表面，即合理設計的亞波長散射體的二維排列，通過光波與這些散射體單元結構及其功能排列的相互作用來引入光學性質的突變，實現(xiàn)對相位、偏振和振幅的調(diào)節(jié)和操控，并且減少對傳播效應的依賴。基于超表面的濾波器件囊括了超表面的強大光場調(diào)控能力，以及體積小、質量輕、易集成的優(yōu)點，為光學甚至電磁波濾波器件提供了新范式。目前，基于超表面的濾波器件主要包括顏色濾波、偏振濾波、手性濾波等。手性濾波，又稱自旋選擇濾波，即對手性相反的兩束光進行選擇濾波，通常是指對入射的左旋圓偏振光和右旋圓偏振光具有顯著差異的透射和反射特性。手性指幾何上缺乏鏡面反射對稱性的性質，近年來成為世界科學研究的前沿熱點，左旋圓偏振光和右旋圓偏振光就是典型的手性相反的一對光場。自旋選擇窄帶濾波器通過對左旋圓偏振光和右旋圓偏振光的傳輸調(diào)控，能夠為光學系統(tǒng)提供新的手性自由度，對手性分子鑒別、光學拓撲基礎研究、新型光場調(diào)控及應用提供有力的技術支撐。目前，商用的窄帶光學濾波器通常不包含自旋選擇濾波功能，并且在波長域的分辨率較低，典型的窄帶濾波器的帶寬在30nm左右，alluxa公司的紅外波段超窄帶濾波器的帶寬在0.15nm。因此，有必要研究兼具自旋選擇功能、光譜分辨率高、集成性好的光學濾波器，開發(fā)基于超表面的窄帶光學濾波器，為納米科學的發(fā)展繁榮提供新型光學元器件。

3、有鑒于此，為了實現(xiàn)濾波器在光譜域的高分辨率以及手性最大化，本發(fā)明將連續(xù)域中束縛態(tài)(bics)模式引入到超表面中。

技術實現(xiàn)思路

1、要解決的技術問題：

2、為了避免現(xiàn)有技術的不足之處，本發(fā)明提供一種基于高q超表面的自旋選擇可調(diào)型超窄帶濾波器件及其自旋選擇性調(diào)節(jié)方法，利用扭轉硅雙層超表面結構激發(fā)bics模式，通過改變上層硅結構相對下層硅結構的扭轉角度實現(xiàn)對自旋選擇特性的調(diào)控。也就是說，上層硅結構相對下層硅結構的扭轉角度為φ時，該超表面對垂直入射的左旋圓偏振光的透射率接近于1，對垂直入射的右旋圓偏振光的透射率接近于0；而當上層硅結構相對下層硅結構的扭轉角度為-φ時，該超表面對垂直入射的左旋圓偏振光的透射率接近于0，對垂直入射的右旋圓偏振光的透射率接近于1。本發(fā)明解決了現(xiàn)有的窄帶光學濾波器通常不包含自旋選擇濾波功能，并且在波長域的分辨率低、不易集成的問題。

3、本發(fā)明的技術方案是：一種自旋選擇可調(diào)型超窄帶濾波器，所述濾波器為帶有扭轉式散射體的超表面結構，所述超表面結構包括襯底、以周期性陣列形式排布于襯底上的扭轉式散射體單元、覆蓋于襯底和扭轉式散射體單元表面的甲基丙烯酸甲酯層；

4、所述扭轉式散射體單元為非封閉式環(huán)形體，所述非封閉式環(huán)形體的周面上沿豎直方向設置有錯位缺口，且錯位缺口之間的夾角可調(diào)，通過調(diào)整錯位缺口之間的夾角完成自旋選擇特性的調(diào)控。

5、本發(fā)明的進一步技術方案是：所述襯底的材料為二氧化硅襯底，扭轉式散射體單元的材料為硅。

6、本發(fā)明的進一步技術方案是：所述扭轉式散射體單元由兩層結構、尺寸均一致的環(huán)形破缺硅沿二氧化硅襯底的法向同軸疊加而成，且兩層環(huán)形破缺硅的破缺錯位設置，即構成扭轉雙層結構。

7、本發(fā)明的進一步技術方案是：所述環(huán)形破缺硅的周期為3000±300nm；其外環(huán)面半徑為1000±100nm，內(nèi)環(huán)面半徑為600±60nm，軸向高度為600±60nm，破缺寬度為10nm至20nm。

8、本發(fā)明的進一步技術方案是：所述扭轉式散射體單元中置于二氧化硅襯底表面的環(huán)形破缺硅為第一層環(huán)形破缺硅，以第一層環(huán)形破缺硅的破缺軸向對稱面為0位，第二層環(huán)形破缺硅的破缺軸向對稱面相對0位的扭轉角為+20°～+30°或-20°～-30°。

9、本發(fā)明的進一步技術方案是：所述濾波器的工作波長范圍是4549nm～5560nm，對應的透射譜半高全寬為0.0075nm～0.0095nm。

10、本發(fā)明的進一步技術方案是：所述甲基丙烯酸甲酯層將各扭轉式散射體單元的內(nèi)外環(huán)面及頂面完全包裹，且扭轉式散射體單元底面到甲基丙烯酸甲酯層頂部外表面之間的距離大于10μm。

11、一種自旋選擇可調(diào)型超窄帶濾波器的自旋選擇性調(diào)節(jié)方法，具體步驟如下：

12、在二氧化硅襯底上以周期性陣列形式排布若干扭轉式散射體單元，并覆蓋聚甲基丙烯酸甲酯層，構成帶有扭轉式散射體的超表面結構；

13、將所述扭轉式散射體單元中的第二層環(huán)形破缺硅與第一層環(huán)形破缺硅的破缺夾角調(diào)整至+20°～+30°時，則所述超表面結構對垂直入射的左旋圓偏振光的透射率＞0.95，對垂直入射的右旋圓偏振光的透射率＜0.034；

14、將所述扭轉式散射體單元中的第二層環(huán)形破缺硅與第一層環(huán)形破缺硅的破缺夾角調(diào)整至-20°～-30°時，則所述超表面結構對垂直入射的左旋圓偏振光的透射率＜0.034，對垂直入射的右旋圓偏振光的透射率＞0.95。

15、本發(fā)明的進一步技術方案是：所述第二層環(huán)形破缺硅與第一層環(huán)形破缺硅的破缺夾角調(diào)整至+20°～+30°時，q值保持在～6×105，圓二色性cd值為0.91至0.97。

16、本發(fā)明的進一步技術方案是：所述第二層環(huán)形破缺硅與第一層環(huán)形破缺硅的破缺夾角調(diào)整至-20°～-30°時，q值保持在～6×105，圓二色性cd值為-0.97至-0.91。

17、有益效果

18、本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明的超表面結構能夠通過調(diào)節(jié)散射體單元的扭轉方向實現(xiàn)自旋選擇特性的調(diào)控，即雙層扭轉環(huán)形破缺硅的破缺扭轉設定角度時，對垂直入射的左旋圓偏振光和右旋圓偏振光產(chǎn)生不同光學響應，以實現(xiàn)超窄帶自旋選擇濾波。

19、具體優(yōu)勢如下：

20、1、本發(fā)明利用雙層結構環(huán)形破缺硅激發(fā)bics模式，能夠實現(xiàn)對垂直入射的左旋圓偏振光和右旋圓偏振光的選擇性透射，q值高達6×105，cd值最高可以達到0.97，實現(xiàn)高q值手性濾波。

21、2、本發(fā)明采用的扭轉式散射體結構對扭轉微擾免疫，即在扭轉角度在合理范圍內(nèi)變化時，所述手性濾波器件仍能保持較大的q值和cd值。

22、3、本發(fā)明采用的結構方案通過改變扭轉的方向，可以使自旋選擇性質完全相反，實現(xiàn)自旋選擇的可調(diào)。