一种利用光诱导界面电子自旋极化实现旋光的方法

摘要

一种利用光诱导界面电子自旋极化实现旋光的方法，利用入射线偏振光在界面上发生光学全反射所产生的倏逝波与位于该界面上能够实现电子自旋极化的功能层中所包含的由表面等离激元金属材料构成的具有纳米特征尺寸的结构发生相互作用，激发表面等离激元，使共振跃迁的表面自由电子在表面等离激元金属材料构成的结构的表面有效磁场中发生自旋进动，形成共同的自旋磁矩分量，从而在能够实现电子自旋极化的功能层中产生电子自旋极化，电子自旋极化可造成反射光相对于入射光的偏振面旋转现象，并且在能够实现电子自旋极化的功能层上施加电场或磁场可进一步控制该旋光现象。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学偏振态控制方法，尤其是一种利用光诱导界面电子自旋极化实现旋 光的方法。

背景技术

光的偏振态主要有五种，包括：自然光、部分偏振光、线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振 光。偏振光技术可应用在医药研究、液晶显示、通讯、信息存储等广泛的技术领域，对光学 偏振态的有效控制显得日益重要，其中对线偏振光偏振面取向的控制就是一个重要方面。目 前采用的方法主要包括以下几种：（1）利用偏振器件，最主要的是利用偏振片，它一般由具 有二向色性的晶体制备，利用其旋转使出射线偏振光的偏振面随之偏转是一种常见的线偏振 光偏振面取向控制技术，但该方法不易小型化。（2）利用旋光效应。旋光效应是指线偏振光 通过某种物质后，其振动面将以光的传播方向为轴线转过一定的角度。凡能使线偏振光通过 后将其振动面旋转一定角度的物质，称作旋光性物质。旋光性物质一般与手性结构紧密联系， 比如糖溶液、松节油液体，还包括石英、朱砂等固体，所以旋光效应往往应用于手性物质的 鉴定。（3）利用磁致旋光效应。磁致旋光效应（法拉第效应和克尔效应）是指在磁场的作用 下，本来不具有旋光效应的物质产生了旋光性质。具有磁致旋光效应的材料以石榴石材料和 磁光玻璃材料为代表。相比旋光效应，磁致旋光效应的应用要广泛得多，已发展出磁光调制 器、磁光环行器、磁光隔离器和磁光传感器等多种器件。但由于受制于现有磁光材料本身应 用性能的不理想，如温度稳定性和磁滞效应等，以及成本较高等问题，也制约了其进一步广 泛应用。（4）利用液晶电光效应。液晶分子是含有极性基团的棒状极性分子，在外电场作用 下，偶极子会按电场方向取向，使分子原有的排列方式发生变化，从而液晶的光学性质也随 之发生改变，当光通过液晶时，会产生旋光效应。液晶电光效应的应用很广，利用液晶电光 效应可以做成各种液晶显示器件、光调制器、光路转换开关等。上述方法基本是利用透射方 式来进行线偏振光偏振面取向的控制，与目前基于全反射的光纤和集成光波导光学器件的集 成和兼容性都存在问题。

发明内容

本发明针对在光纤和集成光波导等光学器件中进行线偏振光偏振面取向的控制问题，提 出了一种基于全反射的旋光方法。

本发明将表面等离激元金属材料的光学特性和其特殊电子能带结构相结合，提出基于光 诱导的界面电子自旋极化的线偏振光的偏振面取向的控制方法，具体内容为：

（1）入射线偏振光从一种折射率为n₁的光密介质，以大于全反射临界角的入射角射向 所述的光密介质和一种折射率为n₂的光疏介质构成的界面，n₁>n₂，并在所述的光密介质和 光疏介质构成的界面上发生一次或多次全反射，使所述界面上的一个功能层上实现电子自旋 极化，所述的功能层包含有由表面等离激元金属材料构成的具有纳米特征尺寸的结构；

（2）所述的光学全反射在所述的界面上产生了倏逝波（或称消逝波），所述的倏逝波能 透入所述的实现电子自旋极化的功能层；

（3）所述的倏逝波与所述功能层中由表面等离激元金属材料构成的结构发生相互作用， 导致表面等离激元共振的发生，在表面等离激元金属材料构成的结构上形成共振跃迁的表面 自由电子；

（4）表面等离激元金属材料构成的结构在自旋-轨道耦合相互作用等微观作用下形成了 表面有效磁场；所述的共振跃迁的表面自由电子在该表面有效磁场中发生自旋进动，形成共 同的自旋磁矩分量，从而在所述的实现电子自旋极化的功能层中产生了电子自旋极化；

（5）所述的光学全反射和所述的表面等离激元共振使反射光椭偏化，所述的电子自旋 极化造成反射椭圆偏振光主轴方向相对于所述的入射线偏振光的偏振面发生偏转的旋光现 象；

（6）在所述的实现电子自旋极化的功能层上施加电场或磁场可进一步控制所述的旋光 现象。

一般的，上述由表面等离激元金属材料构成的结构可以是一个由表面等离激元金属材料 构成的薄膜。

较优的，上述由表面等离激元金属材料构成的结构也可以是一个由表面等离激元金属材 料构成的周期性纳米结构，如纳米光栅结构和纳米孔阵列结构等。

较优的，上述由表面等离激元金属材料构成的结构还可以是一个由表面等离激元金属材 料构成的非周期纳米结构，如岛状的非周期纳米结构或颗粒状的非周期纳米结构。

一般的，上述由表面等离激元金属材料构成的结构具有纳米特征尺寸是指由表面等离激 元金属材料构成的薄膜的厚度具有纳米特征尺寸，或由表面等离激元金属材料构成的周期性 结构的周期尺度具有纳米特征尺寸，或由表面等离激元金属材料构成的周期性结构的周期单 元结构具有纳米特征尺寸，或由表面等离激元金属材料构成的非周期性结构的非周期分布的 个体结构具有纳米特征尺寸。

一般的，上述纳米特征尺寸是指小于500nm的尺寸。

较优的，上述纳米特征尺寸是指小于100nm的尺寸。

上述表面等离激元金属材料是Au、Ag、Cu或Al中的一种或几种，以及它们的合金。

本发明的有益效果是：

（1）本发明所述方法具有简单灵活的特点，便于与光纤和集成光波导技术紧密结合， 实现集成与微小型化。

（2）本发明所述方法具有很强的兼容性，将表面等离激元金属材料与半导体材料、有 机功能材料、磁性材料等其他功能材料在功能层中复合应用，可应用于传感、通讯等领域。

附图说明

图1为本发明实施例1的原理示意图，图中：1二氧化硅（SiO2）、2空气、3全反射界 面、4能够实现电子自旋极化的功能层、5由表面等离激元金属材料构成的结构、6入射线偏 振光、7反射光。

具体实施方式

以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明所述的利用光诱导界面电子自旋极化实现旋光的方法是基于光波在两种折射率 不同的介质所构成的界面上发生的全发射来实现的，所以对介质种类没有特殊要求，只要满 足能够使光波在光密介质中传播，以大于临界角的入射角入射到界面处可发生全反射即可。 光密介质可以选择二氧化硅、玻璃、Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体（如InP、GaAs等）、铌酸锂、钽 酸锂、有机聚合物，如丙烯酸酯、氟化聚酰亚胺等，以及硅和锗半导体等。

所述的能够实现电子自旋极化的功能层位于上述两种介质组成的界面处，除包括由表面 等离激元金属材料构成的结构外，可以包含其他结构和成分，只要不影响光学全反射的发生 即可。

所述的由表面等离激元金属材料构成的结构可以是由表面等离激元金属材料构成的纳 米薄膜，也可以是利用表面等离激元金属材料制备的周期性纳米结构，还可以是由表面等离 激元金属材料构成的非周期纳米结构。

所述的由表面等离激元金属材料构成的薄膜可以采用物理和化学气相沉积技术制备和 表面吸附技术制备，具体包括真空热蒸镀技术、电子束蒸镀技术、磁控溅射镀膜技术、离子 束沉积技术、脉冲激光辅助沉积技术和分子束外延技术等。

所述的由表面等离激元金属材料构成的周期性纳米结构可以采用微纳加工技术制备，具 体包括光刻技术、电子束曝光技术和聚焦离子束刻蚀技术等。

所述的由表面等离激元金属材料构成的非周期纳米结构可以采用薄膜热处理、表面纳米 结构吸附和原位合成等方法来实现。

所述的表面等离激元金属材料可以是Au、Ag、Cu或Al中的一种或几种，以及它们的 合金。

实施例1：

图1为本发明实施例1的原理示意图，如图1所示，二氧化硅1与空气2构成全反射界 面3，在界面3上存在能够实现电子自旋极化的功能层4，功能层4中包含由表面等离激元 金属材料构成的结构5。入射线偏振光6以大于全反射临界角的入射角从二氧化硅1射向界 面3发生全反射，利用由全反射产生的倏逝波（或称消逝波）与功能层4中由表面等离激元 金属材料构成的结构5的相互作用，在功能层4中实现电子自旋极化，光学全反射和表面等 离激元共振使反射光7椭偏化，电子自旋极化造成反射光7的椭圆偏振主轴方向相对于入射 线偏振光6的偏振面发生偏转的旋光现象，在功能层4上施加电场或磁场可进一步控制所述 的旋光现象。

在功能层4中由表面等离激元金属材料构成的结构5可以且不限于以下几种结构：

（1）利用电子束蒸镀技术在二氧化硅表面制备的30nm厚的Au薄膜。

（2）利用真空热蒸镀技术在二氧化硅表面制备的200nm厚的Al薄膜。

（3）利用磁控溅射技术在二氧化硅表面制备的60nm Cu/1nmAu复合薄膜。

（4）利用光刻技术在二氧化硅表面制备Au光栅，其中光栅周期为500nm，光栅填充因 子为0.5，光栅深度为25nm。

（5）利用聚焦离子束刻蚀技术在二氧化硅表面制备Ag纳米孔阵列结构，其中孔直径为 50nm，孔间距为250nm。

（6）利用电子束蒸镀技术在二氧化硅表面制备的10nm厚的Au薄膜，将该薄膜在空气 中以400℃条件下做退火处理，在二氧化硅表面形成岛状的非周期Au纳米结构。

（7）利用化学还原法原位合成15nmAg纳米粒子，并将二氧化硅表面硅烷化，如修饰3 －氨基丙基三甲氧基硅烷，使粒径为15nm的Ag纳米粒子吸附固定到二氧化硅表面上形成 Ag纳米粒子膜层，在二氧化硅表面形成颗粒状的非周期Au纳米结构。

（8）利用化学还原法原位合成20nmAu纳米粒子，将溶有Au纳米粒子的PMMA（聚 甲基丙烯酸甲酯）的四氢呋喃溶液涂在二氧化硅表面上，待溶剂蒸发后获得具有Au纳米粒 子的PMMA薄膜，在二氧化硅表面形成颗粒状的非周期Au纳米结构。