CN104793277A - 基于表面等离子体激元的透射式滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于表面等离子体激元的透射式滤波器，属于表面等离子体激元滤波技术领域。本发明滤波器包括由电介质材料构成的厚度在300~3000nm范围内的调制层，以及分别设置于调制层上、下表面的透明的上基底和下基底，上基底与调制层之间以及下基底与调制层之间分别设置有结构相同的上金属光栅、下金属光栅；上、下金属光栅的周期为500~2000nm，厚度为20~40nm，且调制层上下两侧的结构关于调制层呈镜像对称分布。本发明还公开了上述透射式滤波器的透射波长选择方法及一种显示装置。本发明能有效实现特定波长光波的选择透过，且透过率高于50%，透射波长可调谐，能量可传播至远场，适合于在高分辨率显示方面的实际应用。

Description

基于表面等离子体激元的透射式滤波器

技术领域

本发明涉及一种滤波器，尤其涉及一种基于表面等离子体激元的透射式滤波器，属于表面等离子体激元滤波技术领域。

背景技术

表面等离子体激元是由光波和金属表面自由电子在相同共振频率条件下相互作用引起的集体振荡，是一种表面电磁波模式。它局限于金属与介质界面附近，能形成增强近场。表面等离子体激元对包括入射角度、光波长、介质材料和表面结构等在内的多个因素有极高的灵敏度，且具有尺寸微小，集成度高，突破衍射极限制约等优势，因此常用于传感、滤波等领域，并随着微纳光学的兴起引起广泛关注。

表面等离子体激元的激发需要动量补偿，最简单的方法是棱镜耦合或光栅耦合。以光栅耦合方式为例，其结构如图1所示，在基底103上刻蚀金属光栅102，入射光101以某一角度入射到金属光栅102上，其中满足动量匹配条件的某一频率的光波，在金属光栅102与空气的界面上激发表面等离子体激元，形成沿表面传播的倏逝波，极小部分以反射光104和透射光105的形式出射。激发表面等离子体激元的光谱带宽狭窄，但引起的倏逝波局限在金属层表面，趋肤深度小于200nm，不能传播至远场(大于或等于五倍入射波长范围)。通常，将表面等离子体激元应用于滤波器设计，利用的是“超透射现象”，即特定波长的光透过亚波长金属二维孔阵列结构后，透射光强远大于按照经典物理光学理论计算的结果，并且也远大于按小孔所占金属表面的面积比例直接计算得到的结果。和局限在表面传播的表面等离子体激元激发不同，这种现象可以形成传播场，透过光为一束发散角很小的光束，而不是向各个方向衍射，但其透射率通常小于50％，且光谱带宽较宽。

表面等离子体激元对波长表现出的高敏感度，为其应用于高分辨率、真彩色显示器件提供了可能性，但由于现有技术无法同时实现狭窄的光谱带宽、高透射效率和远场能量传输，限制了该技术在高分辨率显示方面的实际应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种基于表面等离子体激元的透射式滤波器，能有效实现特定波长光波的选择透过，且透过率高于50％，透射波长可调谐，能量可传播至远场，适合于在高分辨率显示方面的实际应用。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

基于表面等离子体激元的透射式滤波器，包括由电介质材料构成的厚度在300～3000nm范围内的调制层，以及分别设置于调制层上、下表面的透明的上基底和下基底，上基底与调制层之间以及下基底与调制层之间分别设置有结构相同的上金属光栅、下金属光栅；上、下金属光栅的周期为500～2000nm，厚度为20～40nm，且调制层上下两侧的结构关于调制层呈镜像对称分布。

优选地，所述调制层的厚度可调节。

优选地，所述调制层中电介质材料的折射率可调。

如上任一技术方案所述透射式滤波器的透射波长选择方法，通过在300～3000nm范围调整所述调制层厚度，和/或通过调整所述调制层中电介质材料的折射率，进行透射波长的选择。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明采用镜像对称的光栅耦合型表面等离子体激发装置，实现了对入射光波的入射角和波长的高灵敏度选择，透过率高于50％，透射光可远场传播，且透射波长可调谐，与现有基于表面等离子体激元的滤波技术相比，整个系统同时实现了高效率窄带滤波和远场传播，可应用于显示设备。

附图说明

图1为现有表面等离子体激元光栅耦合激发装置的结构原理示意图；其中，101为入射光、102为金属光栅、103为基底，104为反射光，105为透射光；

图2为本发明透射式滤波器的结构原理示意图；其中，201为入射光，202为上基底、203为上金属光栅、204为调制层、205为下金属光栅，206为下基底，207为透射光，208为反射光；

图3(a)和图3(b)分别为采用不同结构光栅的本发明透射式滤波器的结构示意图；

图4为本发明透射式滤波器中，不同调制层厚度所对应的波长和透射率的关系曲线；

图5为本发明透射式滤波器一个优选实施例的结构原理示意图；其中，201为入射光，202为上基底、203为上金属光栅、204为调制层、205为下金属光栅，206为下基底，207为透射光，208为反射光，209为直流电压源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

图2显示了本发明透射式滤波器的基本结构与原理。如图2所示，本发明透射式滤波器包括由电介质材料构成的厚度在300～3000nm范围内的调制层204，以及分别设置于调制层上、下表面的透明的上基底202和下基底206，上基底202与调制层204之间以及下基底206与调制层204之间分别设置有结构相同的上金属光栅203、下金属光栅205；上金属光栅203、下金属光栅205的周期为500～2000nm，厚度为20～40nm；调制层204上下两侧的结构(即上基底202+上金属光栅203和下基底206+下金属光栅205)关于调制层呈镜像对称分布。

工作时，宽频的入射光201以某一角度入射，其中特定频率的TM模入射光通过上基底202后，一部分被上金属光栅203反射，在入射光201同侧形成反射光208；另一部分满足动量匹配原则，在上金属光栅203和调制层204的界面上激发表面等离子体激元共振波，因调制层204厚度足够薄(厚度在20～40nm)，所以上金属光栅203/调制层204界面上的共振波使得调制层204/下金属光栅205的界面上生成具有相同频率特性的表面等离子体共振波，并从下基底206透射出来，形成透射光207。

其中的上金属光栅203、下金属光栅205可为正弦型、矩形(如图3(a)所示)、闪耀光栅(如图3(b)所示)等常见一维光栅结构，改变光栅周期、光栅厚度、填充因子等结构参数，可以改变表面等离子体激元激发时的入射角和透射率。引入金属光栅的原因是，在介质表面镀金属膜无法直接光耦合，要实现表面等离子体的激发，需要对光波给予补偿，使其能够和SPPs的波矢匹配。一种方法是是利用衍射效应来实现光子波矢的补偿，在金属表面刻蚀衍射光栅，补偿激发表面等离子体激元的波矢，使电磁波满足动量守恒的条件：

$k_{\mathrm{dielectric}}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)+m\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}=\±\mathrm{Re}\left(k_{\mathrm{sp}}\right)---\left(1\right)$

其中，k_dielectric和k_sp分别为基底和表面等离子体激元的波矢，θ为入射角，Λ为光栅周期，m为衍射级，可表述为m＝±1，±2，...，±N，其中N为正整数，Re为取实部运算符。

本发明中的光栅材料为金属，这是激发表面等离子体激元的必要条件，根据金属Drude理论，金属的折射率包含实部和虚部，二者均为和波长相关的函数。在可见光范围内，常用银、金、铝及其混合金属激发表面等离子体激元。本发明的调制层可为任意电介质，最简单的方法是以空气填充，也可采用光电材料(包括无机晶体(例如KDP，KTP和LiNbO₄)、聚酰胺宾主材料、有机晶体、有机盐和液晶)、磁光材料、光弹性材料等折射率可调的材料，便于透射波长的调整。基底材料为透光的无机材料，常用二氧化硅。

本发明的结构尺寸为亚波长级。其中金属光栅周期范围为500～2000nm，金属光栅的厚度范围为20～40nm，调制层厚度范围为300～3000nm。这是因为光栅周期过大时，式(1)中的第二项过小，不能提供足够的波矢补偿，而过密的刻线对亚波长光栅刻蚀工艺有极高的要求。至于金属光栅，低于20nm的薄金属和高于50nm的厚金属都不能激发表面等离子体激元，而当金属光栅厚度为40～50nm时，从下基底透射的光波能量很低，因此本发明限制金属光栅的厚度范围为20～40nm。调制层的厚度可以用于调制透过的波长，但是调制层厚度不能无限大，这是因为调制层超过上金属光栅的表面等离子体激元穿透深度时，无法在下金属光栅的表面激发出相同频率的等离子体激元。一种具体实施例可以为：光栅面型为正弦型光栅，光栅周期为800nm，峰值为20nm。基底材料为二氧化硅，折射率为1.52，金属光栅的材料为银，折射率根据Palik给出的常见金属折射率表设定，调制层材料为空气，厚度为800nm。入射波长为459nm的蓝光，入射角为35.75°时，透过率达到峰值。本发明对光波的入射角度有很强的敏感度。

本发明中的调制层有两个作用，一是激发表面等离子激元，二是调制透射光的波长。本发明滤波器调制波长的方法有两种，分别为改变调制层厚度和改变调制层折射率。图4显示了改变调制层厚度对波长选择透过性的影响。从图4中可以看出，在入射角等其他条件不变时，增大调制层厚度，使得透射光谱峰值波长发生红移，且峰值透过率相差不超过5％，在实现高透过率的同时，也保证了颜色的均匀性。另外一种调制方式是通过改变调制层折射率来选择透射光的波长，图5即显示了采用该种透射波长调制方式的一个优选实施例。如图5所示，相比图2的结构，本实施例中增加了直流电压源209，其正负输出分别连接上金属光栅203、下金属光栅205，即直接以两金属光栅作为电极；调制层204采用电光材料，其折射率包括实部和虚部，且随外加电压的变化而变化。通过调整直流电压源209的输出电压改变施加于调制层204的电压信号的大小，电光材料的实部发生改变，以调制共振波长，即选色；虚部发生改变，以调制共振强度，即亮度控制。将该结构的滤波器应用于高分辨率的显示设备时，模型中的金属光栅相当于内置电极，每个结构单元可视为一个时分复用的像元。类似地，也可以采用折射率随外加磁场变化的磁光材料，或者折射率随外加压力变化的光弹性材料等作为调制层，并相应地通过改变外加磁场或压力来进行透射波长的选择。

和图1中传统的光栅耦合装置将透射光波局限在金属/电介质界面形成倏逝场相比，本发明中被选择透射的光波可以传播至远场(五倍波长及以外区域)，且透射率可超过高于50％，具有更为广阔的应用前景。

Claims (8)

1.基于表面等离子体激元的透射式滤波器，其特征在于，包括由电介质材料构成的厚度在300~3000nm范围内的调制层，以及分别设置于调制层上、下表面的透明的上基底和下基底，上基底与调制层之间以及下基底与调制层之间分别设置有结构相同的上金属光栅、下金属光栅；上、下金属光栅的周期为500~2000nm，厚度为20~40nm，且调制层上下两侧的结构关于调制层呈镜像对称分布。

2.如权利要求1所述透射式滤波器，其特征在于，所述调制层的厚度可调节。

3.如权利要求1所述透射式滤波器，其特征在于，所述调制层中电介质材料的折射率可调。

4.如权利要求3所述透射式滤波器，其特征在于，所述电介质材料为磁光材料、电光材料或光弹性材料。

5.如权利要求4所述透射式滤波器，其特征在于，所述电介质材料为电光材料；所述滤波器还包括输出电压可调的直流电压源，所述直流电压源的正、负输出端分别与上金属光栅、下金属光栅电连接。

6.如权利要求1所述透射式滤波器，其特征在于，上、下基底的材质为无机材料。

7.如权利要求1所述透射式滤波器的透射波长选择方法，其特征在于，通过在300~3000nm范围调整所述调制层厚度，和/或通过调整所述调制层中电介质材料的折射率，进行透射波长的选择。

8.一种显示装置，包括一组显示像元，其特征在于，所述显示像元包括如权利要求1～6任一项所述透射式滤波器。