基于柔性基底的双层J型可拉伸手性太赫兹超表面特邀研究论文
1 引言
手性,指任意几何图形通过平移和旋转手段都无法与其镜像重合[1],就像人的左右手,互为镜像却无法重合,其在分子生物学、医学和生物科学中具有巨大的研究价值。自然材料的光学响应微弱,甚至难以被检测出来。超材料是一种经过人工精心设计,具备天然材料所不具有的特殊性质,亚波长的周期性微结构材料[2]。它的结构参数可以人为设定,以满足各种波段电磁波的响应要求。自Pendry[3]提出的三维螺旋(“瑞士卷”)结构在理论上证明了没有金属线与谐振环的单一手性体也能够获得负折射后,手性超材料得到快速发展,大量三维结构的手性超材料涌现出来,并且得到了实验验证[4-5]。但是三维手性超材料的加工制备困难,限制了其实际应用。虽然结构简单的单层金属二维手性超表面也能实现旋光性,但是它存在理论极限,难以达到三维超材料的高手性响应。为获得强的手性光学响应,同时降低加工难度,Rogacheva等[6]提出了双层手性结构。与传统的三维手性超材料略有不同,它是通过两层金属之间的层间耦合来增强电磁响应,以获得更强的手性光学响应。这种双层金属结构比起普通的三维结构更易于加工制作,因此吸引了许多研究人员的目光[7-8]。手性超材料的出现使材料的手性光学响应提高了几个数量级,从而能被应用于生物传感[9]、检测[10-11]、偏振[12]、全息[13]等领域。
目前大多数超表面一旦加工成型之后,结构无法改变,导致其功能较为单一。为提高超表面的多功能性,降低加工成本,可主动调控器件[14]成为了一个研究热点。通常,研究人员在刚性衬底的超表面中加入复合材料,通过照明、电控、温控等方式进行主动调控。而柔性材料的出现为主动调控器件带来了新的选择。柔性材料作为基底材料时能够灵活调控其形态,贴合于柔性材料上的金属结构能随着材料的拉伸、弯曲、旋转等操作实现动态可调,因此被广泛用于电子皮肤[15]、柔性显示器[16]和生物传感[17]等领域。
本文提出一种基于柔性基底——聚二甲基硅氧烷(PDMS)的双层金属手性太赫兹超表面,其上下两面由取向不同的具有四重旋转对称性的J型金属图案构成。该结构在0.760 THz处能产生圆二色性(CD)值高达0.805的CD信号。柔性材料制成的超表面具有很好的延展性,通过对其拉伸能实现对超表面电磁响应的动态调控。因此,模拟了该结构在不同拉伸程度下对CD信号的调控,并分析和讨论了CD信号产生的原因;同时还模拟了该结构在不同拉伸程度下的折射率传感能力。结果表明,在不同拉伸程度下,该结构均表现出良好的传感性能,可应用于动态多功能器件、可穿戴传感器以及手性光学探测。
2 仿真设计与原理
2.1 手性超表面的结构优化与仿真设计
PDMS是一种弹性体聚合物,因其低杨氏模量、低吸收损耗、低表面能及可与传统和先进的微/纳米制造技术相兼容等优点[18],非常适合作为超表面的柔性基底。所设计的基于PDMS的手性超表面结构示意图如

图 1. 手性超表面的示意图和结构参数。(a)单元结构示意图;(b)单元结构在xoy平面上的上层(左)和下层(右)的结构参数
Fig. 1. Schematic diagram and structural parameters of the chiral metasurface. (a) Schematic diagram of the unit structure; (b) Structural parameters of the top (left) and bottom (right) layers of the unit structure on the xoy plane
2.2 琼斯矩阵及CD表征
手性超材料的传输特性通常利用琼斯(Jones)矩阵来描述,因其可以将入射场和透射场或反射场的复振幅联系起来,所以也被称为传输矩阵。首先,假设超材料被向+z方向传播的圆偏振光激发,透射电场和入射电场通过2
式中:
为得到圆偏振光的传输矩阵,必须对基向量进行变换。由于传输矩阵T可以把入射光和透射光联系起来,所以可以将其表达为从笛卡儿坐标系通过变化矩阵
式中,t和I分别是笛卡儿坐标下的透射光和入射光,而它们与圆基的关系分别为
式中:t++表示从RCP到RCP的同极化透射系数;t--表示从LCP到LCP的同极化透射系数;t+-表示从LCP到RCP的交叉极化透射系数;t-+表示从RCP到LCP的交叉极化透射系数。
CD是由左旋圆极化波和右旋圆极化波吸收的差异引起的,因左旋和右旋折射率虚部的不同,表现为不同的吸收率或透过率。CD通常由三维或多层结构的手性超材料实现,被广泛用于测量手性光学。所使用的CD的定义表示为
式中:T++和T--分别表示RCP和LCP的直接透射率。
3 仿真结果与讨论
3.1 结构的透射光谱及其CD
C4型的J型手性超表面的仿真结果如

图 2. 手性超表面的透射率和CD光谱。(a)透射率;(b)CD光谱
Fig. 2. Transmittance spectrum and CD spectra of chiral metasurface. (a) Transmittance spectrum; (b) CD spectra
3.2 基于Born-Kuhn模型的理论分析
为探究所设计的超表面CD产生的物理机制,进一步模拟了在LCP和RCP的圆偏振光的激发下,手性超表面在共振频率为0.760 THz(mode I)和0.856 THz(mode II)时的上下层的电场分布,归一化电场分布如

图 3. 在LCP和RCP激发下,共振频率f = 0.760 THz(mode I)处和f = 0.856 THz(mode II)处的归一化电场分布和xoy平面的等效电偶极矩示意图
Fig. 3. Normalized electric field distributions and equivalent electric dipole moments on the xoy plane at resonance frequency f = 0.760 THz (mode I) and f =0.856 THz (mode II) under LCP and RCP excitations
观察mode I对应的电场分布可知:在LCP入射时,上下层对应的等效电偶极矩方向基本相同,即子结构的上下层等效电偶极矩在相交处聚集同性电荷,所以耦合模式是“反键模式”;在RCP入射时,子结构①③的上下层对应的等效电偶极矩方向相同,也为“反键模式”,但子结构②④上层与下层对应的等效电偶极矩方向(虚线框)相反,即上下层等效电偶极矩在相交处聚集异性电荷,所以呈现“成键模式”。该“成键模式”增强了上下层结构之间的耦合,所以此时引起了较强的RCP响应。对比之下,LCP响应的归一化电场强度明显更弱,导致mode I处产生了较大的CD峰。同理,观察mode II的电场分布和等效电偶极矩方向,可以看出,无论是LCP入射还是RCP入射,4个子结构的上下层均呈“反键模式”,且LCP和RCP响应的归一化电场强度接近,所以此时的CD峰较小。
4 拉伸程度对CD的影响及超表面传感性能的研究
4.1 拉伸程度对CD的影响
基于PDMS柔性材料的手性超表面具有很好的力学性质,可以通过拉伸调控CD信号。将超表面沿两个方向拉伸,即沿xy轴拉伸,变形可以表示为

图 4. 沿xy方向被拉伸至不同相对拉伸形变量的手性超表面的透射谱和CD光谱以及拉伸程度与最大CD值频率的关系。(a)透射谱;(b)CD光谱;(c)不同拉伸程度与最大CD值频率的关系
Fig. 4. Transmittance spectrum, CD spectrum of the bilayered chiral metasurface stretched in the xy direction at different relative stretching deformation and the relationship between different tensile degrees and the frequency of the maximum CD value. (a) Transmittance spectrum; (b) CD spectrum; (c) relationship between different tensile degrees and the frequency of the maximum CD value
4.2 不同拉伸程度下超表面的传感性能分析
使用CST进行不同环境折射率的仿真模拟,以研究超表面的传感性能。首先,根据介电常数与折射率之间的关系,即
式中:Δf为谐振频率偏移量;Δn为折射率n的相对变化量。
其次,对未拉伸前的结构进行折射率环境变化模拟。如

图 5. 未拉伸超表面在不同折射率中的透射谱和CD光谱以及T++的共振频率与折射率的对应关系。(a)透射谱;(b)CD光谱;(c)T++的共振频率与折射率的对应关系
Fig. 5. Transmittance spectrum and CD spectrum of the unstretched metasurface with different refractive indices and the relationship between the resonant frequency and refractive index of T++. (a) Transmittance spectrum; (b) CD spectrum; (c) relationship between the resonant frequency and refractive index of T++
接下来,用同样的方法对沿xy方向被拉伸至相对拉伸形变量达到10%和20%的超表面进行折射率环境变化的仿真模拟。如

图 6. 当手性超表面沿xy方向被拉伸至相对拉伸形变量达到10%和20%时,不同折射率的透射谱T++和其共振频率f与折射率n的对应关系。(a)透射谱T++(ε'=10%);(b)f与n的对应关系(ε'=10%);(c)透射谱T++(ε'=20%);(d) f与n的对应关系(ε'=20%)
Fig. 6. Transmittance T++and the relationship between resonance frequency f of T++ and the refractive index n with different refractive indices when the chiral metasurface is stretched in the xy direction until the relative stretching deformation reaches 10% and 20%. (a) Transmittance T++(ε'=10%); (b) f vs. n (ε'=10%); (c) transmittance T++(ε'=20%); (d) f vs. n (ε'=20%)
另外,
表 1. 部分已报道的手性超材料的传感性能
Table 1. Sensing properties of chiral metamaterials have been reported
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5 结论
设计了基于PDMS柔性基底的具有双层四重旋转对称性的J型手性超表面,通过仿真模拟,研究了其圆偏振透射谱和CD谱的特性。结果显示,该超表面在0.760 THz范围内能产生高达0.805的CD值。通过结合电场分布与Born-Kuhn理论模型,同时辅以电场强度分析,解释了产生CD现象的原因。由于柔性材料具有可拉伸的动态可调特性,通过仿真模拟计算了不同拉伸程度下该超表面的透射谱和CD谱,虽然CD值有所减小,但仍能达到0.650以上。同时,还模拟了在不同折射率的背景环境下,该超表面的传感特性。结果表明:在未拉伸的情况下,手性超表面的灵敏度能达到327 GHz/RIU;将超表面拉伸至相对拉伸形变量为20%,灵敏度能保持在295 GHz/RIU。该手性超表面在动态多功能器件、可穿戴传感器以及手性光学探测方面具有潜在的应用价值。
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陈玉婷, 梁馨元, 钟昊天, 黄巍, 银珊. 基于柔性基底的双层J型可拉伸手性太赫兹超表面[J]. 激光与光电子学进展, 2023, 60(18): 1811019. Yuting Chen, Xinyuan Liang, Haotian Zhong, Wei Huang, Shan Yin. Bilayered J-Shaped Stretchable Chiral Terahertz Metasurface Based on Flexible Substrate[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2023, 60(18): 1811019.