[0001] 本发明涉及手性纳米光源，具体一种利用电子束入射到周期性堆叠的正方形光阱结构进而激发史密斯‑珀赛尔辐射调制成手性纳米光源的方法，可以对手性史密斯‑珀赛尔辐射纳米光源的激发和调制进行分析，以及面向光电路应用和二进制信息处理进行指导。

[0002] 史密斯‑珀塞尔辐射(Smith‑Purcell Radiation,SPR)是一种特殊的电子束衍射辐射，其来源于电子束掠入射到光栅结构表面的过程中，快速电子在结构中产生极化电荷并震荡产生。由于其辐射波长强烈依赖于光栅结构的周期性，且辐射强度与入射电子束束流息息相关，因此更易于设计成更光学性能更丰富的辐射源。通过相应的光栅结构设计，有望实现承载史密斯‑珀塞尔辐射的纳米级光源。史密斯‑珀塞尔辐射最初用于设计高功率太赫兹源，自由电子激光器等设备，以及带电粒子束束流整形和探测等等，后为了满足更多类型的辐射源需求，将其光学性能拓展到了线偏振光和涡旋光领域。然而，手性作为史密斯‑珀塞尔辐射源的另一个重要性质，往往需要通过两束正交极化的线偏振史密斯‑珀塞尔辐射的相干叠加实现，在传统单一光栅结构中是难以实现的，这也为承载史密斯‑珀塞尔辐射的新型结构设计提出了更大挑战。

[0003] 手性是自然界中广泛存在的一种物理性质，即物体不能与其镜像相重合的特性。而由于光的两种不同的圆偏振态对应着两种自旋状态(左旋圆偏振和右旋圆偏振，σ＝±
1)，这种与自旋相关的效应可以进一步推广到光学领域，即光学手性(Optical chirality，OC)，在信息处理，信息存储和光路由等领域有广泛应用。为了衡量信号的手性度大小，定义了手性度CD＝(ILCP‑IRCP)/(ILCP+IRCP)，其中ILCP和IRCP分别为辐射中左旋圆偏振(Left‑handed CircularlyPolarized,LCP)和右旋圆偏振(Right‑handed Circularly Polarized,RCP)光子自旋分量。由于光子的自旋角动量可以作为鲁棒性高、容量大的信息载体，光学手性被预测在光信息处理中可以实现对信息载体的操纵。其正交性和高维性的特点在信息编码和信息密码学方面有广泛的应用前景。光源作为光电路中的最重要组成部分，决定了光电路中的存储性能和信息处理能力。手性纳米光源小尺寸带来的高集成度和光子自旋带来的高维性，对光电路中光学信息的传输和处理具有重要意义，为未来的二元信息化处理和传输提供了新的途径。

[0004] 随着光电路，集成光子学的快速发展，为了获得更好的光学性能或光信息处理能力，许多光学结构都达到了纳米尺寸，特别是金属纳米结构，微腔结构，纳米孔洞结构等等。因此在亚波长甚至深亚波长尺度实现高空间分辨率的激发和探测对于研究纳米结构的光学性质变得越来越重要。阴极荧光显微成像技术，是一种基于扫描电子显微镜或透射电子显微镜的非侵入式探测手段，利用电子束激发并收集样品的阴极荧光信号，具有纳米级空间分辨能力和精准激发的优点，最高能实现～10nm分辨率的荧光成像。广泛应用于研究电子与物质相互作用，纳米尺度发光探测，纳米尺度激发调控等等。通过在光路激发端操控电子束的入射位置，实现不同模式信息类型的激发；结合光路收集端的圆偏振探测模组，对出射光学信号进行纳米尺度上的超精细圆偏振探测。在史密斯‑珀塞尔辐射的研究中，阴极荧光显微技术展现出了强大优势，实现灵活的辐射波长调控和圆偏振操控等。

[0005] 本发明的目的在于提供一种利用电子束实现手性纳米光源的方法，使无自旋注入的电子束可以通过激发周期性堆叠正方形光阱结构中的史密斯‑珀塞尔辐射实现手性光的发射。

[0006] 本发明的技术方案如下：

[0007] 一种利用电子束实现手性纳米光源的方法(见图1)，用于周期性堆叠正方形光阱结构中的史密斯‑珀塞尔辐射的激励和操控。该方法包括金/二氧化硅(Au/SiO2)周期性堆叠光子晶体中正方形纳米光阱结构的制备、光阱结构中电子束激发手性史密斯‑珀塞尔辐射、光阱结构中史密斯‑珀塞尔辐射的手性操控。

[0008] Au/SiO2周期性堆叠正方形光阱结构的加工制备分为两步：1.Au/SiO2周期性堆叠光子晶体的制备。通过电子束蒸发镀膜的方法依次在硅片上蒸镀Au和SiO2层；2.利用聚焦离子束刻蚀在Au/SiO2周期性堆叠光子晶体中刻蚀出正方形光阱孔洞结构。其中，Au层和SiO2层周期为6～10个周期，共12～20层。Au层厚度为200～220nm，SiO2层厚度为250～300nm。所述正方形光阱结构为边长600～700nm的正方形孔洞结构。

[0009] 光阱结构中的手性史密斯‑珀塞尔辐射通过电子束入射到光阱中空部分产生，光阱侧壁为一维Au/SiO2光栅结构，电子束掠过光阱侧壁，在侧壁中激发出史密斯‑珀塞尔辐射。由于史密斯‑珀塞尔辐射的强度随着电子束距离光栅结构的距离增大而指数衰减，因此我们选择在距离正方形光阱结构的顶角处入射电子束，并且仅考虑电子束在光阱中的距离最近的相邻侧壁中产生的辐射。在正方形光阱结构中，相邻侧壁中产生的史密斯‑珀塞尔辐射以一组正交极化的形式存在，即辐射的线偏振方向分别垂直于各自侧壁平面。当电子束在光阱结构的几何非对称位置入射时，电子束距离相邻侧壁的距离差导致了相邻侧壁中产生的极化电流间的相位差，进而导致由极化电流产生的这组正交极化的史密斯‑珀塞尔辐射间存在相同相位差，两束正交且具有固定相位差的线偏振辐射最终组合成圆偏振光从光阱中发出，即实现了特定手性光的发射。

[0010] 正方形纳米光阱辐射源中的光学手性的激发通过电子束激发位置纳米尺度的移动产生，电子束与相邻侧壁的距离差越大，相邻侧壁产生的史密斯‑珀赛尔辐射的相位差随之变大，当相位差在‑2/π～2/π间变化时，能够转换辐射光的圆偏振状态。相位差越接近‑2/π或2/π，辐射光的手性度越高，当相位差为0时，不能满足圆偏振光的叠加原则，手性度也为0。因此移动电子束改变激发区域即可实正方形纳米光阱辐射源有‑无以及圆偏振态的切换，从而实现操控。

[0011] 本发明所提出的电子束对纳米光阱中手性辐射激发，是首个利用电子束同时激发两束史密斯‑珀赛尔辐射经叠加实现的手性纳米光源。在无自旋态注入的情况下，通过改变一组正交极化的线偏振史密斯‑珀赛尔辐射的相位差，实现亚波长尺度下的手性光的发射，不仅极大地降低了手性光源的使用尺度，更是能够通过单纯电子束纳米尺度移动精确改变激发位置，进而改变线偏振的叠加状态，实现对辐射手性度的亚波长尺度操控。本发明着眼于纳米光子学新一代信息载体的研究中，对自旋自由度的操控从传统的远场激光激发转变为利用史密斯‑珀赛尔辐射通过相互叠加作用激发，突破光学衍射极限。此手性纳米光源可运用于光自旋与轨道耦合研究、量子信息器件集成，具有尺度小、灵敏度高、鲁棒性高等特点。在目前普遍应用远场光学方式大尺度下实现手性光源的前提下，本发明利用电子束实现手性纳米光源将具有广阔的市场前景。附图说明

[0012] 图1显示了本发明具体实施方式的样品结构与现象示意图。

[0013] 图2显示了本发明具体实施方式原理图。

[0014] 图3显示了本发明具体实施方式正方形光阱结构中的模式分布。

[0015] 图4显示了本发明具体实施方式两个正交归一化的史密斯‑珀塞尔辐射之间的相位差随电子束入射位置的分布图，每个像素点代表电子束的注入点。

[0016] 图5显示了本发明具体实施方式两个正交归一化的史密斯‑珀塞尔辐射间相对强度随电子束入射位置的分布图，每个像素点代表电子束的注入点。

[0017] 图6显示了本发明具体实施方式30keV、20nA电子束在正方形光阱结构的几何非对称位置入射(电镜图中已标注出)，获得的模拟与实验的辐射信号中左旋圆偏振和右旋圆偏振分量，以及计算获得的手性度。

[0018] 图7显示了本发明具体实施方式电子束在平行于对角线的直线上各点(电镜图中已标注出)入射时，辐射光的手性度随波长变化趋势。

[0019] 图8显示了本发明具体实施方式模拟得到的辐射手性度随电子束入射位置的分布图，探测波长为740nm。

[0020] 图9显示了本发明具体实施方式电子束在对角线的直线上各点(电镜图中已标注出)入射时，辐射光的强度随波长变化趋势。

[0021] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述，以使本领域技术人员能够更加清楚地理解本发明。

[0022] 本发明实施例中电子束对于正方形纳米光阱中手性光的激发实验样品结构图如图1所示：结构共包括三个部分，第一部分为衬底部分，由Si衬底和SiO2间隔层组成；第二部分为光子晶体部分，具有6个周期共12层结构，由Au层和SiO2层交替堆叠组成其中最上层为SiO2层，Au层和SiO2层厚度分别为200nm和250nm。第三部分为光阱部分，光阱为边长为700nm的正方形孔洞结构，深度约3μm。

[0023] 下面进一步给出所述用于电子束激发正方形纳米光阱中手性光实验样品的实验样品的制备方法，包括以下步骤：

[0024] 步骤一、使用等离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)对Si基底沉积SiO2间隔层，得到SiO2/Si基底。

[0025] 步骤二、对SiO2/Si基底使用有机溶剂进行超声清洗，按照丙酮(清洗时间10‑15min)→乙醇(清洗时间10‑20min)→去离子水(清洗时间20‑30min)的顺序进行超声清洗，最后用氮气枪吹干残留在基底上的去离子水，得到洁净的SiO2/Si基底。

[0026] 步骤三、利用电子束蒸发镀膜的方式对SiO2/Si基底依次沉积Au层和SiO2层，蒸镀速率约为 最终得到Au/SiO2周期性堆叠光子晶体。

[0027] 步骤四、利用聚焦离子束刻蚀(FIB)的方式在光子晶体中刻蚀出边长为700nm的正方形孔洞结构，深度约3μm。选取镓(Ga)离子作为刻蚀源，离子源电压为30kV，束流约为9pA，刻蚀深度为3μm，最终获得如图1所示的正方形纳米光阱结构。

[0028] 本发明中电子束对于正方形纳米光阱中手性光的激发基于电子束激发出的一组正交极化的史密斯‑珀塞尔辐射的叠加：电子束掠入射到光阱侧壁，在侧壁中产生极化电流，示意图见图2，侧壁中的极化电流产生史密斯‑珀塞尔辐射。由于辐射强度强烈依赖于电子束距离光栅表面的距离，因此我们只考虑电子束在光阱顶角附近入射的情况以及距离电子束最近的相邻侧壁中产生的极化电流的影响。产生的史密斯‑珀塞尔辐射应满足光阱结构中的模式类型，通过分析光阱的本征模式，以及与电子束色散曲线的共振条件，在色散曲线相交时即符合在光阱中存在的史密斯‑珀塞尔辐射类型，这也决定了最终光发射的波长，见图3。从正方形纳米光阱中辐射出的光信号来自于相邻侧壁产生的一组正交极化的史密斯‑珀塞尔辐射的叠加，当两束辐射存在固定相位差时，最终的叠加结果会变成椭圆偏振光或者圆偏振光。当电子束在正方形纳米光阱的几何非对称位置入射，电子束距离相邻侧壁会有一个固定的距离差，电子束的对极化电流的影响会有一个时间延迟，分析了电子束在不同位置入射时，相邻侧壁中产生的极化电流间的相位差，如图4所示，可以发现在不同的几何非对称位置，相位差不同，同时相位差分布关于对角线对称，这就满足了叠加产生圆偏振信号的条件。另一方面，影响辐射光圆偏振特性的因素是这组正交极化的史密斯‑珀塞尔辐射间的强度差，若强度差越大，叠加出的辐射光越接近线偏光。因此我们模拟得到了两个正交归一化的史密斯‑珀塞尔辐射间相对强度随电子束入射位置的分布图，每个像素点代表电子束的注入点，如图5所示。可以发现，越接近角平分线即几何对称位置，强度差越小，越利于叠加产生圆偏振光。最终为了衡量获得的圆偏振信号的手性度，我们定义了手性度CD＝(ILCP‑IRCP)/(ILCP+IRCP)，其中ILCP和IRCP分别为辐射中左旋圆偏振(Left‑handed Circularly Polarized,LCP)和右旋圆偏振(Right‑handed Circularly Polarized,RCP)光子自旋分量。

[0029] 下面给出所述电子束室温手性纳米光源激发的测量流程：本发明中电子束室温手性纳米光源激发在基于扫描电镜的阴极荧光显微成像系统中进行，电子束穿过样品上方抛物面镜的小孔激发样品，辐射出的阴极荧光由样品上方的抛物面镜收集，通过收集光路最终被光电倍增管(photomultiplier,简称PMT)捕获，样品阴极荧光的圆偏振分量通过放置于收集光路的四分之一波片和线偏振片进行提取，四分之一波片的长轴与线偏振片偏振方向成±45°可分别提取左旋与右旋圆偏振分量。阴极荧光探测中，在Pan模式下收集样品的阴极荧光光谱。

[0030] 具体实施例如下：

[0031] 按照上述步骤加工制备一个正方形纳米光阱样品如图1所示，自下而上Si基底和SiO2间隔层，200nm厚Au和250nm厚SiO2的周期性堆叠层，以及在光子晶体结构中利用聚焦离子束刻蚀出的700nm×700nm的正方形孔洞结构。实验测量在扫描电子显微镜(FEI Quanta 450FEG)中的阴极荧光显微成像系统(Gatan MonoCL4 Plus)进行，使用四分之一波片(AQWP10M‑980，THORLABS)和线偏振片(LPVIS100，THORLABS)通过Pan模式对690nm至850nm波长范围内探测样品阴极荧光信号。

[0032] 样品送入真空腔内，在室温下用30keV，束流20nA的电子束入射到光阱的几何非对称位置(见图6中电镜图所标示)，收集得到光阱中辐射出的左旋圆偏振和右旋圆偏振信号(见图6中光谱图a所标示)，以及计算得到的手性度随波长的变化。为了验证实验结果，我们利用时域有限差分模拟方法(FDTD)数值模拟得到了相同激发条件下的结果(见图6中光谱图b所标示)，光谱峰位均在740nm附近，且计算得到的手性度也匹配的很好。这也印证了实验结果的真实性。

[0033] 将电子束注入位置改变，移动路径遵循在正方形纳米光阱角平分线的垂线上(见图7中电镜图所标示)，相同激发源电压及束流条件下测量得到的不同激发位置下手性度随波长的变化情况(见图7中光谱图所标示)，可以发现，随着电子束从远离角平分线位置逐渐接近角平分线，手性度先增大后减小，最高能达到高于40％的手性度，在角平分线位置手性度减小到0。当电子束从角平分线位置反向远离，手性度先反向增大并减小。考虑电子束束斑约为10nm×10nm大小，电子束从III位置移动约40nm到IV位置即可实现手性现象从有到无，从III位置移动约80nm到VI位置可实现手性现象的反转，是一种高鲁棒性高空间分辨的手性调控手段。为了印证该实验现象的真实性，通过FDTD模拟得到了电子束在正方形纳米光阱顶角附近各个点入射时，在辐射峰740nm时计算得到的手性度分布，如图8所示。可以发现，手性度随着电子束注入位置接近角平分线，先增大后减小，之后反向增大并减小，印证了实验结果。

[0034] 此外，研究了正方形纳米光阱结构中光辐射强度与电子束激发位置的对应关系。如图9所示，随着电子束逐渐远离正方形纳米光阱的顶角，辐射强度逐渐减小。这为未来纳米光阱光源的应用提供了指导。

[0035] 本发明首次利用电子束入射在正方形纳米光阱结构中产生手性光发射，通过电子束超高空间分辨突破光学衍射极限，精准激发正方形光阱结构获得一组正交极化的史密斯‑珀塞尔辐射，通过固定相位差的叠加关系，获得手性辐射信号。同时有别于传统研究手性光源的远场光学激发方式，凭借电子束纳米尺度束斑的优势，激发纳米光阱结构中史密斯‑珀塞尔辐射的不同叠加状态，在百纳米电子束移动范围内实现对手性纳米光源手性度的有效操控。本发明是一种纳米尺度、高灵敏、鲁棒性强的新型室温手性纳米光源激发和操控方法，除了该尺寸正方形纳米光阱结构，还可以拓展到其他周期性的光阱结构，能够满足不同辐射波长下的手性光发射。当今纳米光子学器件飞速发展，对于操控信息载体的新自由度需求愈发强烈，本发明对其今后的发展具有极强的支持动力和参考价值。

[0036] 最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，本领域的技术人员应当理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。