一种电光可调倾斜四聚体手性纳米结构及其应用

本技术涉及手性微纳结构及其应用，具体而言，涉及一种电光可调倾斜四聚体手性纳米结构及其应用。

背景技术：

1、手性光学结构能够对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光产生不同的透射、吸收或散射响应，该差异通常以圆二色性（circular dichroism，cd）信号表征。圆二色性信号在手性分子检测、生物传感和偏振调控等领域具有重要作用。例如，hao等综述了手性探针在生物传感领域的研究进展（chemical communications，2023，59：12959-12971），bassler等报道了用于手性传感的超表面基混合光学腔（physical review letters，2024，132：043602）。

2、为了获得更高的品质因子和更窄的响应带宽，研究者将连续域束缚态（boundstates in the continuum，bic）及准连续域束缚态（quasi-bic）引入手性超表面。连续域束缚态是存在于辐射连续谱中但仍能保持局域化分布的一种电磁本征态，理论上具有无限大的品质因子和无限窄的带宽。通过适当破坏结构对称性，可使对称保护的连续域束缚态转化为能够与外部辐射场耦合的准连续域束缚态，从而形成具有有限线宽和高品质因子的光学共振。hsu等系统总结了连续域束缚态的物理机制及其光子学应用前景（naturereviews materials，2016，1：16048）；overvig等提出了手性准连续域束缚态的理论与结构设计（physical review letters，2021，126：073001）；chen等报道了本征手性连续域束缚态（nature，2023，613：474-478）；yang等报道了通过布里渊区折叠提高高q手性超表面鲁棒性的结构（optics communications，2025，583：131693）。

3、倾斜扰动和三维手性构型能够进一步打破结构的面外对称性，从而增强结构对不同圆偏振光的选择性响应。例如，guo等利用全介质超表面中的环形偶极连续域束缚态实现折射率和温度传感（applied surface science，2023，615：156408）；wang等报道了基于连续域束缚态的非手性纳米孔阵列中超窄带诱导圆二色性增强及其传感性能（acs appliedmaterials & interfaces，2026，18：8658-8669）。上述研究表明，通过倾斜结构打破面外对称性，有利于增强圆二色性响应，并能够避免依赖倾斜入射光所带来的复杂光路和稳定性问题。

4、与此同时，铌酸锂具有较强的电光效应、较宽的光谱响应范围以及良好的片上集成潜力，已经被应用于片上放大、光波导和可调光学器件等领域。例如，luo等报道了片上掺铒铌酸锂波导放大器（chinese optics letters，2021，19：060008），bibbo等报道了基于超表面的可调窄带抗反射光学滤波器（photonics research，2017，5：500-506）。利用外加电场改变铌酸锂的折射率，可以进一步改变纳米光学结构的有效折射率及共振条件，从而为圆二色性光谱峰位和信号强度的主动调控提供技术基础。

5、然而，现有技术仍存在以下不足：其一，平面手性结构主要依赖面内对称性破缺，所产生的手性通常表现为伪手性，圆二色性信号较弱；其二，部分手性结构需要采用倾斜入射光或复杂的外部光路产生外在手性，实验系统的复杂性较高，稳定性和集成性较差；其三，已有基于连续域束缚态的手性结构虽然能够获得较高的品质因子，但往往难以同时兼顾较强的圆二色性信号和超窄带响应；其四，电光材料与倾斜三维手性准连续域束缚态结构的协同设计仍不充分，难以在保持高品质因子响应的同时，实现圆二色性共振峰位和信号强度的主动调节。因此，有必要提供一种兼具平面对称性破缺、面外对称性破缺以及电光动态调控能力的电光可调倾斜四聚体手性纳米结构，以满足手性分子检测、环境折射率传感、窄带滤波及电光调制等应用需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种电光可调倾斜四聚体手性纳米结构，包括衬底层和设置于衬底层上的电光纳米棒阵列；电光纳米棒阵列包括沿第一方向和第二方向周期排布的多个周期单元，第一方向与第二方向相交，每个周期单元包括四个电光纳米棒，四个所述电光纳米棒在平行于衬底层的平面内呈两行两列排布，相邻电光纳米棒之间形成纳米间隙；至少一个电光纳米棒相对于同一周期单元内的其余电光纳米棒沿平行于衬底层的方向发生位移扰动，以破坏周期单元的平面对称性，使对称保护的连续域束缚态转化为能够与外部辐射场耦合的准连续域束缚态；四个电光纳米棒相对于衬底层的法线方向倾斜设置，以破坏所述周期单元的面外对称性，使电光纳米棒阵列对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光产生不同的光学响应；电光纳米棒由折射率能够随外加电场改变的电光材料制成。

2、本发明通过使至少一个电光纳米棒产生平面位移扰动，破坏四聚体周期单元的平面对称性，打开原本受对称性限制的辐射耦合通道，使处于辐射连续谱中且难以向外泄漏的对称保护连续域束缚态转化为能够与外部光场耦合的准连续域束缚态，由此在纳米间隙附近形成辐射损耗低、寿命长且局域电场强的高品质因子超窄带共振；在此基础上，将四个电光纳米棒相对于衬底层法线方向倾斜设置，进一步破坏结构的面外镜面对称性，使左旋圆偏振光与右旋圆偏振光在纳米棒端部及纳米间隙内产生不同的相位积累、近场耦合路径和电流分布，增强电偶极、磁偶极及高阶多极模式之间的手性耦合，从而放大两种圆偏振光的透射差异，获得较强的圆二色性响应；同时，外加电场能够改变电光纳米棒的折射率，进而改变阵列的有效折射率、导模传播常数及准连续域束缚态的共振条件，实现圆二色性共振峰位和信号强度的主动调节。因此，本发明通过平面位移扰动形成超窄带准连续域束缚态、倾斜结构增强三维手性响应以及电光效应实现动态调控的协同作用，解决了现有手性纳米结构难以同时兼顾高品质因子、强圆二色性和主动可调性的问题。

3、更进一步地，电光纳米棒为长方体电光纳米棒，四个电光纳米棒的长度方向相互平行，且四个所述电光纳米棒相对于衬底层的法线方向同向倾斜。

4、更进一步地，电光材料为铌酸锂；衬底层由透光低损耗介质材料制成，透光低损耗介质材料为二氧化硅或玻璃。

5、更进一步地，周期单元在第一方向上的周期为1396-1404 nm，在第二方向上的周期为1190-1210 nm；电光纳米棒的宽度为165-185 nm，长度为390-410 nm。

6、更进一步地，还包括设置于衬底层与电光纳米棒阵列之间的相变材料层，相变材料层的材料为二氧化钒或锗锑碲，相变材料层用于在温度、光照或电信号作用下改变其相态和折射率，以调节所述准连续域束缚态的共振条件，并对圆二色性共振峰的峰位、信号强度和/或带宽进行调控。

7、更进一步地，还包括设置于所述电光纳米棒阵列上方的二维各向异性层，二维各向异性层的材料为黑磷、二硫化锗或砷化锗中的至少一种，二维各向异性层用于通过其不同晶轴方向上的差异化介电响应，对准连续域束缚态的面内电场分量产生方向选择性扰动，以增大所述电光纳米棒阵列对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的响应差异，并调控圆二色性共振峰的峰位、信号强度和/或带宽。

8、更进一步地，电光纳米棒阵列包括上下间隔设置的下层电光纳米棒阵列和上层电光纳米棒阵列，所述下层电光纳米棒阵列与所述上层电光纳米棒阵列之间设置有介质间隔层；所述上层电光纳米棒阵列相对于所述下层电光纳米棒阵列在平行于所述衬底层的平面内旋转设置，二者之间的扭转角为0.5度-10度，以形成用于调节所述准连续域束缚态共振条件和圆二色性响应的莫尔超晶格结构。

9、另一方面，本发明提供了一种电光可调倾斜四聚体手性纳米结构在折射率传感中的应用，将待测介质设置于电光纳米棒阵列表面和/或所述纳米间隙内，向电光纳米棒阵列入射圆偏振光，根据待测介质引起的圆二色性共振峰位变化确定所述待测介质的折射率或折射率变化量。本发明实现折射率传感的机理在于：待测介质进入电光纳米棒阵列表面和/或纳米间隙后，其折射率变化会改变纳米结构周围的介电环境以及准连续域束缚态的有效折射率和导模传播常数，进而改变导模共振的波矢匹配条件，使圆二色性共振峰发生相应位移；同时，准连续域束缚态在纳米间隙处具有较强的局域电场和超窄带高品质因子响应，能够增强光场与待测介质的相互作用，并放大微小折射率变化引起的峰位移动，因此可根据圆二色性共振峰的位移量确定待测介质的折射率或折射率变化量。

10、再一方面，本发明提供了一种电光可调倾斜四聚体手性纳米结构在手性物质检测中的应用，将待测手性物质设置于所述电光纳米棒阵列表面和/或所述纳米间隙内，分别获取左旋圆偏振光和右旋圆偏振光入射时的透射光谱，并根据两种透射光谱之间的差异获得圆二色性光谱，以检测所述待测手性物质的手性状态和/或浓度。本发明实现手性物质检测的机理在于：待测手性物质位于电光纳米棒阵列表面和/或纳米间隙后，其手性极化响应与倾斜四聚体结构产生的手性局域光场发生耦合，使待测物质对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光呈现不同的吸收、散射或透射作用，进而改变两种圆偏振光对应的透射光谱及圆二色性信号；同时，准连续域束缚态在纳米间隙处形成强局域电场和超窄带高品质因子共振，增强了光场与手性物质之间的相互作用，放大不同手性状态或不同浓度引起的圆二色性峰位、强度或线形差异，从而根据圆二色性光谱的变化识别待测物质的手性状态和/或确定其浓度。

11、又一方面，本发明提供了一种电光可调倾斜四聚体手性纳米结构在电光调制中的应用，向电光纳米棒施加可调外加电场，使电光纳米棒的折射率随所述外加电场发生变化，进而调节所述准连续域束缚态的共振条件，以实现圆二色性共振峰位和/或圆二色性信号强度的动态调控。本发明实现电光调制的机理在于：电光纳米棒采用铌酸锂等具有电光效应的材料，当施加可调外加电场时，材料内部的介电响应和折射率随电场强度发生变化，进而改变电光纳米棒阵列的有效折射率、导模传播常数以及光在纳米棒和纳米间隙中的相位积累，使准连续域束缚态的波矢匹配条件和局域场分布发生改变，由此引起圆二色性共振峰位移动，并改变左旋圆偏振光与右旋圆偏振光的耦合强度和透射率差异，实现圆二色性信号强度的调节。因此，无需改变纳米结构的几何尺寸，仅通过调节外加电场即可实现圆二色性光谱的连续、可逆动态调控。

12、与现有技术相比，本发明的有益效果：

13、（1）本发明通过使至少一个电光纳米棒发生平面位移扰动，破坏四聚体周期单元的平面对称性，打开对称保护连续域束缚态与外部辐射场之间的耦合通道，使其转化为具有有限线宽的准连续域束缚态。该结构能够有效降低辐射损耗，延长光在纳米结构中的驻留时间，并在纳米间隙附近形成强局域电场，从而获得超窄带、高品质因子的光学共振，为精细光谱识别和高分辨率光学调控提供良好基础；

14、（2）本发明将四个电光纳米棒相对于衬底层法线方向倾斜设置，在平面对称性破缺的基础上进一步破坏面外镜面对称性，使左旋圆偏振光和右旋圆偏振光在纳米棒端部及纳米间隙内产生不同的相位积累和近场耦合，显著增强结构的三维手性响应。仿真结果表明，在位移扰动为20 nm、倾斜角为24度时，圆二色性信号强度约为0.23，半峰宽约为0.052nm，较未倾斜结构增强约180倍，实现了强圆二色性与超窄带响应的兼顾；

15、（3）本发明采用铌酸锂等折射率能够随外加电场变化的电光材料制备电光纳米棒，外加电场可改变纳米棒阵列的有效折射率、导模传播常数及准连续域束缚态的共振条件，进而调节圆二色性共振峰位和信号强度。该调控过程不需要改变纳米结构的几何尺寸，即可实现光谱响应的主动、连续和可逆调节，因而有利于器件的小型化及片上集成，可用于可调窄带滤波、偏振控制和电光调制等光子器件；

16、（4）本发明的纳米间隙与准连续域束缚态能够形成强局域圆偏振光场，使位于电光纳米棒阵列表面或纳米间隙内的待测介质充分参与共振模式的形成，放大介质折射率或手性极化变化对圆二色性光谱的影响。仿真结果表明，该结构对环境折射率变化的灵敏度可达830 nm/riu，同时能够根据圆二色性峰位、强度或线形变化识别手性物质的手性状态及浓度，适用于环境检测、生物传感和手性分子分析等领域。