基于正交导模共振的高Q值手性复合结构及手性识别方法

本发明涉及微纳光学与超表面，尤其是指一种基于正交导模共振的高q值手性复合结构及手性识别方法。

背景技术：

1、手性识别在药物筛选、生物医学检测、食品安全等领域具有重要价值。由于天然手性分子的光学响应——圆二色性（cd）信号极其微弱（通常仅为普通光吸收信号的万分之一至十万分之一），利用纳米光子结构增强手性信号已成为研究热点。

2、目前，主流的手性传感结构主要面临以下技术局限：第一类是等离激元金属超表面，该类结构能够产生极强的局域场增强，从而显著放大cd信号；然而，金属材料固有的欧姆损耗较大，导致其共振线宽较宽，品质因子（q因子）普遍偏低。第二类是全介质超表面，该类结构利用介质材料的低损耗特性，可获得较高的q因子；近年来，基于连续域束缚态（bic）的全介质手性超表面取得了显著进展——通过精确调控结构参数，可以获得超高的q因子；然而，现有全介质结构的cd响应往往需要依赖复杂的对称性破缺设计，且制备难度较大。第三类是导模共振（gmr）结构，导模共振是指光栅结构中的衍射波与波导模式耦合形成共振的现象，其典型特征是极窄的共振线宽和极高的光谱选择性；当gmr与手性设计相结合时，能够同时实现高q因子和手性选择性响应；然而，现有gmr手性结构大多集中于单一模式调控，q因子仍有较大的提升空间。

3、综上所述，现有技术难以在结构简洁的条件下同时兼顾超高q因子与强cd响应，限制了手性传感性能的进一步提升。因此，亟需一种新型手性复合结构，通过创新的模式耦合机制，在保持结构简洁性的同时实现超高q因子和增强的cd响应。

技术实现思路

1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中难以在结构简洁的条件下同时兼顾超高q因子与强cd响应，限制了手性传感性能提升的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于正交导模共振的高q值手性复合结构，包括：

3、衬底；

4、波导层，设置于衬底一侧表面；

5、手性单元层，设置于波导层上远离衬底的一侧表面，包括周期排列的多个“卍”字形三维构型单元；

6、其中，当入射光照射到手性单元层表面时，满足相位匹配条件的光束会被波导层捕获，同时激发出沿x方向传播的横电波与沿y方向传播的横磁波，在手性单元层的“卍”字形三维构型单元发生结构耦合，进而产生杂化导模共振，获取高品质因子。

7、优选地，所述“卍”字形三维构型单元，包括：中心长方体与四个l型构件；

8、四个l型构件均包括第一长方体子块与第二长方体子块；且四个l型构件的第一长方体子块的一个侧面，分别与中心长方体的四个侧面连接。

9、优选地，所述中心长方体的高度为60nm，长度与宽度均为45nm；所述第一长方体子块的高度为60nm，长度为97nm，宽度为45；所述第二长方体子块的高度为60nm，长度为50nm，宽度为47nm。

10、优选地，手性单元层上的“卍”字形三维构型单元的旋转状态相同；所述旋转状态为四个l型构件呈顺时针旋转或四个l型构件呈逆时针旋转。

11、优选地，周期排列的多个“卍”字形三维构型单元，在x方向的周期为690nm，在y方向的周期范围为[670,710]，且周期排列的多个“卍”字形三维构型单元在y方向的周期不等于在x方向的周期。

12、优选地，所述波导层为si，厚度为300nm。

13、优选地，手性单元层为金属au，厚度为60nm。

14、本实施例提供了一种手性识别方法，包括：

15、令待测分子位于如上述所述的基于正交导模共振的高q值手性复合结构的手性单元层一侧表面的邻近处；

16、采用圆偏振光入射激励手性复合结构，基于待测分子的手性极化率引起结构局域介电常数的非对称变化，使得左旋圆偏振光、右旋圆偏振光分别激发得到的杂化导模共振模式产生相位失配以及损耗差异；

17、通过波导层对杂化导模共振模式的相位失配和损耗差异进行信号放大，获取放大光信号；

18、基于放大光信号，得到圆二色信号，实现待测分子的手性识别。

19、优选地，待测分子与手性单元层一侧表面的距离取值范围为。

20、优选地，基于放大光信号，得到圆二色信号，实现待测分子的手性识别，包括：对放大光信号进行差分处理得到圆二色信号；获取圆二色信号的cd光谱，基于cd光谱的正负符号获取待测分子的手性构型的旋转状态，基于cd光谱的信号幅值大小，获得待测分子的吸附量。

21、本申请提供的基于正交导模共振的高q值手性复合结构具有以下有益效果：

22、本发明基于周期排列的多个“卍”字形三维构型单元的手性单元层，利用x方向、y方向两种正交传播的导模共振发生结构耦合，形成杂化导模共振模式，进一步压缩共振线宽，有效提升结构的q因子，获取的品质因子大于传统导模共振结构的品质因子，克服了传统等离激元金属超表面因金属欧姆损耗大、q因子偏低的缺陷，同时规避了基于bic的全介质手性超表面所需要的复杂对称性破缺设计，结构构型简单，降低微纳加工制备难度。

23、本发明的手性单元层中的“卍”字形三维构型单元的周期排列满足x周期不等于y周期，通过x、y方向周期差异化引入正交各向异性，灵活调控正交导模之间的模式耦合强度；阵列内全部“卍”字形三维构型单元保持相同旋转方向，避免阵列内部手性对映体造成光学响应相互抵消，保障复合结构拥有稳定、显著的宏观手性响应；本发明结构参数调节方式简便，无需复杂的几何畸变设计，便于根据实际检测需求调整共振工作波段。

24、本申请提供手性识别方法，基于手性复合结构表面排布的手性“卍”字形三维结构单元，待测手性分子吸附于结构近场区域时，待测分子的手性极化率能够诱发近场局域介电常数产生非对称扰动，使左旋、右旋圆偏振光激励下的杂化导模共振产生相位失配与损耗差异；该模式差异可通过波导层进一步放大，获得增强的cd响应。本发明并非直接检测手性分子本身微弱的固有圆二色信号，借助杂化导模共振的近场增强效应放大分子带来的手性扰动，有效弥补天然手性分子cd信号极弱的问题，显著提升手性分子识别灵敏度。

1.一种基于正交导模共振的高q值手性复合结构，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于正交导模共振的高q值手性复合结构，其特征在于，所述“卍”字形三维构型单元，包括：中心长方体与四个l型构件；

3.根据权利要求2所述的基于正交导模共振的高q值手性复合结构，其特征在于，所述中心长方体的高度为60nm，长度与宽度均为45nm；所述第一长方体子块的高度为60nm，长度为97nm，宽度为45；所述第二长方体子块的高度为60nm，长度为50nm，宽度为47nm。

4.根据权利要求2所述的基于正交导模共振的高q值手性复合结构，其特征在于，手性单元层上的“卍”字形三维构型单元的旋转状态相同；所述旋转状态为四个l型构件呈顺时针旋转或四个l型构件呈逆时针旋转。

5.根据权利要求1所述的基于正交导模共振的高q值手性复合结构，其特征在于，周期排列的多个“卍”字形三维构型单元，在x方向的周期为690nm，在y方向的周期范围为[670,710]，且周期排列的多个“卍”字形三维构型单元在y方向的周期不等于在x方向的周期。

6.根据权利要求1所述的基于正交导模共振的高q值手性复合结构，其特征在于，所述波导层为si，厚度为300nm。

7.根据权利要求1所述的基于正交导模共振的高q值手性复合结构，其特征在于，手性单元层为金属au，厚度为60nm。

8.一种手性识别方法，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的手性识别方法，其特征在于，待测分子与手性单元层一侧表面的距离取值范围为。

10.根据权利要求8所述的手性识别方法，其特征在于，基于放大光信号，得到圆二色信号，实现待测分子的手性识别，包括：对放大光信号进行差分处理得到圆二色信号；获取圆二色信号的cd光谱，基于cd光谱的正负符号获取待测分子的手性构型的旋转状态，基于cd光谱的信号幅值大小，获得待测分子的吸附量。