CN101672941A - 光波长连续可调的带通滤波器及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种光波长连续可调的带通滤波器及其实现方法，其特征是：该带通滤波器垂直于可见光入射方向设置有周期性纳米孔阵列金属薄膜，且该纳米孔阵列金属薄膜表面接触有介电常数受控线性变化的电介质。具体可通过可见光入射到接触有电介质的周期性纳米孔阵列金属薄膜上激发出表面等离子体激元，继而透射出波长对应于表面等离子体激元频率的透射光波。本发明通过线性调节与金属薄膜表面接触的电介质的介电常数，能够实现光波长连续改变的光波输出，且另具波长调制范围大、快速方便、滤波波长变化精度高等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学带通滤波器，尤其涉及一种光波长连续可调的带通滤波器及其实现方法，属于光学信号处理领域。
背景技术
光学滤波主要通过滤波片来实现，其基本原理是通过光学镀膜，按照每次对波长透射率的需求进行光学镀膜，该方法的缺点是不能实现同一滤波片调节滤波的波长。
表面等离子体激元(surface plasmon polaritions，SPPs)是由Ritchie在20世纪60年代首先提出来的，它是局域在金属表面的一种由自由电子和光子相互作用形成的混合激发态。在这种相互作用中，自由电子与那些具有相同共振频率的光波发生集体振荡。这种表面电荷振荡与光波电磁场之间的相互作用就构成了具有独特性质的SPPs.通过改变金属表面的形貌，即可改变SPPs的性质。当在金属表面加工纳米孔阵列时，由于纳米孔阵列的对SPPs的调制，在可见光照射在该结构上时，可在结构的背面探测到波长受孔阵列结构参数影响的透射光；此外，表面等离子体激元还和与金属相接触的电介质的介电常数有关。
发明内容
针对上述现有通过滤波片实现光学滤波的缺陷，本发明的目的在于提供一种光波长连续可调的带通滤波器及其实现方法，解决光学带通滤波器依靠滤波片只能实现单一波长滤波，调制难度大的问题。
为实现本发明的第一个目的，其技术解决方案为：
设计一种光波长连续可调的带通滤波器，其特征在于：该带通滤波器垂直于可见光入射方向设置有周期性纳米孔阵列金属薄膜，且该纳米孔阵列金属薄膜表面接触有介电常数受控线性变化的电介质。
进一步地，前述的一种光波长连续可调的带通滤波器，其中该电介质为液态，包括酒精、油、丙酮、甲苯等。或者，该纳米孔阵列金属薄膜表面设有一个透明腔体，该透明腔体内填充有酒精蒸汽、甲苯蒸汽等气态电介质。
实现本发明第二个目的的技术解决方案是：
光波长连续可调的带通滤波器的实现方法，其特征在于：可见光入射到接触有电介质的周期性纳米孔阵列金属薄膜上激发出表面等离子体激元，继而透射出波长对应于表面等离子体激元频率的透射光波；通过线性调节与金属薄膜表面接触的电介质的介电常数，实现光波长连续改变的光波输出。
进一步地，前述的光波长连续可调的带通滤波器的实现方法，其特征在于：该电介质为液态，线性调节液态电介质的介电常数是通过改变不同介电常数的液态电介质的混合比率实现的；或者该电介质为气态，线性调节气态电介质的介电常数是通过改变气体浓度、压强及挥发时间实现的。
本发明应用于实际的可见光光波调制中，利用金属表面等离子体激元效应，通过线性改变和金属纳米孔阵列接触的电介质的介电常数，能够实现连续改变滤波波长的效果，且另具波长调制范围大、快速方便、滤波波长变化精度高等特点。
附图说明
图1是本发明带通滤波器纳米孔阵列的照片示意图；
图2是本发明带通滤波器的结构简图；
图3是滤波波长随截至类型的改变关系图；
图4是滤波波长随酒精蒸汽挥发时间的变化关系曲线。
具体实施方式
本发明是利用在周期纳米孔阵列的调制下，在可见光入射到金属表面时，金属和邻近介质的表面等离子激元效应可以实现一些特定波长的透射，透射的波长受介质的介电常数调制。当和金属纳米孔阵列相接触的电介质的介电常数发生变化时，金属-电介质的表面等离子体激元振荡模式就发生了改变，进而其选择性透过光波的波长也发生了改变
通过选择特定的电介质，其特点是介电常数可以简单地进行线性改变，然后通过将其和金属纳米孔阵列直接接触，即可实现改变滤波波长的效果。
实施例一：
使用金属镀膜方法在玻璃1上生长150nm的Au金属薄膜2，然后使用电子束曝光和IBE刻蚀的方法在Au金属薄膜2表面加工纳米孔阵列21(图1为纳米方孔阵列的SEM图片，孔的边长为150nm×150nm，周期性间隔为800nm)。在加工好的样品上涂上所需的电介质3，如油、酒精等的液态混合层(图2为本发明带通滤波器的结构简图)，在样品的上表面用可见光源4照射样品，在样品的下表面即可得到所需波长的透射光，并通过检测器5验证。本实现方法涉及的介质为可以简单地加到金属表面，并可以容易去掉的电介质，如酒精、油、丙酮、甲苯等。通过改变不同介电常数的液态电介质的混合比率，能够调节电介质3获得不同的介电常数，从而调制所需的光波输出。
实施例二：
使用金属镀膜方法在玻璃1上生长150nm的Au金属薄膜2，然后使用电子束曝光和IBE刻蚀的方法在Au金属薄膜2表面加工纳米孔阵列21(图1为纳米方孔阵列的SEM图片)。在纳米孔阵列金属薄膜表面设置一个透明腔体，用于存放特殊气体电介质，通过改变气体的浓度，实现对介电常数的改变，然后在样品的上表面用可见光4源照射，在样品的下表面即可得到所需波长的透射光，并通过检测器5验证。(图4是滤波波长和酒精蒸气挥发时间的变化关系曲线图)。本实现方法中涉及的介质为可以调制调节气体浓度改变介质常数的电介质，如酒精蒸气、甲苯蒸气等。
图3为电介质为空气、酒精、油时，滤波波长随介质的改变关系图，其中εAir＝1，εalcohol＝1.8496，εOil＝2.295。通过以上两个实施例的描述，本发明一种光波长连续可调的带通滤波器及其实现方法的特殊效果便清楚且显而易见。在实际的可见光光波调制中，利用金属表面等离子体激元效应，通过线性改变和金属纳米孔阵列接触的电介质的介电常数，能够实现连续改变滤波波长的效果，且另具有波长调制范围大，快速方便，滤波波长变化精度高等特点。
综上所述，本发明技术方案的特征及有益效果得以全面的记述，但并非以此局限本发明灵活多变的实施方式，其电介质的选取及其介电常数线性改变的途径具有多重可选性。因此，但凡对本发明带通滤波器结构及其通过线性调节介电常数来调制不同光波长的透射光的方法进行简单修改和等效替换，均应包含在本发明申请的权利保护范围内。
Claims (7)
1.光波长连续可调的带通滤波器，其特征在于：所述带通滤波器垂直于可见光入射方向设置有周期性纳米孔阵列金属薄膜，且所述纳米孔阵列金属薄膜表面接触有介电常数受控线性变化的电介质。
2.根据权利要求1所述的光波长连续可调的带通滤波器，其特征在于：所述电介质为液态，包括酒精、油、丙酮或甲苯。
3.根据权利要求1所述的光波长连续可调的带通滤波器，其特征在于：所述纳米孔阵列金属薄膜表面设有一个透明腔体，所述透明腔体内填充有气态电介质。
4.根据权利要求3所述的光波长连续可调的带通滤波器，其特征在于：所述气态电介质为酒精蒸汽或甲苯蒸汽。
5.权利要求1所述的光波长连续可调的带通滤波器的实现方法，其特征在于：可见光入射到接触有电介质的周期性纳米孔阵列金属薄膜上激发出表面等离子体激元，继而透射出波长对应于表面等离子体激元频率的透射光波；通过线性调节与金属薄膜表面接触的电介质的介电常数，实现光波长连续改变的光波输出。
6.根据权利要求5所述的光波长连续可调的带通滤波器的实现方法，其特征在于：所述电介质为液态，线性调节液态电介质的介电常数是通过改变不同介电常数的液态电介质的混合比率实现的。
7.根据权利要求5所述的光波长连续可调的带通滤波器的实现方法，其特征在于：所述电介质为气态，线性调节气态电介质的介电常数是通过改变气体浓度、压强及挥发时间实现的。
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