CN104965253B - 基于无序金属圆柱阵列的大角度的光学调色装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于无序金属圆柱阵列的大角度的光学调色装置及其方法。装置包括白光光源、第一准直透镜、偏振片、玻璃基底、圆柱阵列、第二准直透镜、聚焦透镜、单模光纤、光谱仪；在玻璃基底上设有圆柱阵列，在玻璃基底下方顺次设有偏振片、第一准直透镜、白光光源，在玻璃基底上方顺次设有第二准直透镜、聚焦透镜、单模光纤、光谱仪。利用单圆柱内形成的局域表面等离子共振效应使得入射光在某一波长处的吸收增强，透射光在对应波长处的透射率受到抑制，从而实现颜色调制。本发明具有结构简单，尺寸小易于集成，耐高温辐射，对入射光偏振无关和角度不敏感等优点，在未来的集成数字式显示、投影、成像设备和生物医学检测设备中有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于光学滤波器领域，尤其涉及一种基于无序金属圆柱阵列的大角度的光学调色装置及其方法。
背景技术
近年来为克服传统有机染料或化学颜料的颜色滤波器的耐腐蚀、耐高温、耐辐射差以及集成工艺复杂、成本高等缺点，基于表面等离子激元的颜色滤波器引起了广泛的研究。基于表面等离子激元的颜色滤波器由于其结构及材料特性使得其能够克服上述传统颜色滤波器的缺点，然而要实现实际的替代应用，仍然有诸如透射率、偏振相关性、角度相关性、集成面临的尺寸等问题需要解决。
在已经公开的专利及文献中，在透射工作模式下，现有的研究重点集中在利用周期性的金属微结构来解决透射率、偏振、尺寸等问题上。其利用周期性结构对光的衍射作用，将入射光以表面等离子激元的形式耦合到金属表面，通过选择性吸收增强作用实现了颜色的调控作用。但这些方法存在一个非常大的问题是，对光波矢的调制具有内在的对入射光角度的敏感性问题，从而使得利用周期性金属微结构实现的颜色调控方法对光的入射角具有很强的敏感性。这种周期性结构色引入的角度相关性问题未得到较好地解决。因此新的解决方法对这种颜色滤波器是较为关键而且迫切需要的。
发明内容
本发明的目的在于克服了现有技术的不足，并提供了基于无序金属圆柱阵列的偏振无关、大角度的光学调色方法。
一种基于无序金属圆柱阵列大角度的光学调色装置包括白光光源、第一准直透镜、偏振片、玻璃基底、圆柱阵列、第二准直透镜、聚焦透镜、单模光纤、光谱仪；在玻璃基底上设有圆柱阵列，在玻璃基底下方顺次设有偏振片、第一准直透镜、白光光源，在玻璃基底上方顺次设有第二准直透镜、聚焦透镜、单模光纤、光谱仪。
所述的圆柱阵列采用的材料为银，其厚度为20~40nm，直径为66~166nm。
所述的圆柱阵列圆柱间最短间距为80nm以上。
基于无序金属圆柱阵列大角度的光学调色方法是：入射白光光源经过第一准直透镜准直后，再由偏振片转换成线偏振白光，继而入射至玻璃基底和圆柱阵列，通过玻璃基底与圆柱阵列的界面形成的表面等离子共振效应将光调制成跟圆柱尺寸相关的具有选波特性的出射光；出射光经过第二准直透镜和聚焦透镜进行准直、聚焦后由单模光纤收集进入光谱仪，最后得到其光谱曲线；通过旋转偏振片改变入射光的偏振方向，在不同入射光偏振方向下的调制特性不变，即调制光谱的透射率最低点对应的波长不变，透射光颜色保持不变；通过倾斜玻璃基底和圆柱阵列改变入射角度，在入射角从0度增加到60度时，调制光谱的透射率最低点对应的波长仅改变30nm。
在玻璃基底上设计随机排列的低占空比超薄金属银圆柱阵列，当任意偏振的白光从玻璃基底入射时，光在玻璃-金属界面形成表面等离子激元，利用单圆柱范围内形成的局域表面等离子共振效应使得入射光在某一波长处的吸收增强，从而透射光在对应波长处的透射率受到抑制，最终在可见光范围内实现了该波长对应颜色的互补颜色。颜色的调控只需通过简单地改变圆柱的直径便可实现。通过引入圆柱间的最小间距这一限制条件，保证了圆柱间相互独立的局域表面等离子共振作用，从而实现该调色方法的偏振无关性和适应大角度的特性。
本发明具有结构简单，尺寸小易于集成，耐高温辐射，对入射光偏振无关和角度不敏感等优点，在未来的集成数字式显示、投影、成像设备和生物医学检测设备中有良好的应用前景。
附图说明
图1 是基于无序金属圆柱阵列的大角度的光学调色装置示意图；
图2 是玻璃基底(4)、圆柱阵列(5)构成的颜色滤波器的俯视图；
图3 是对应三个不同圆柱直径的颜色滤波器的仿真透射率曲线；
图4 是实验测得的对应三个不同圆柱直径的颜色滤波器在不同入射光偏振方向下的透射率曲线；
图5 是实验测得的对应圆柱直径为106nm的颜色滤波器在不同入射角条件下的透射率曲线。
具体实施方式
本发明提出了基于无序金属圆柱阵列的偏振无关、大角度的光学调色方法。这种调色方法利用了单个圆柱激发的局域表面等离子共振的效应，白光照射到微纳结构阵列上，在光谱的某个波段会产生透射率极小值，而对该波长以外的光具有超高透射率，相应的该颜色滤波器会呈现出该极小值波长所对应颜色的补色。该调色方法具有结构简单，尺寸小易于集成，耐高温辐射，对入射光偏振无关和角度不敏感等优点。
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图1所示，一种基于无序金属圆柱阵列大角度的光学调色装置包括白光光源1、第一准直透镜2、偏振片3、玻璃基底4、圆柱阵列5、第二准直透镜6、聚焦透镜7、单模光纤8、光谱仪9；在玻璃基底4上设有圆柱阵列5，在玻璃基底4下方顺次设有偏振片3、第一准直透镜2、白光光源1，在玻璃基底4上方顺次设有第二准直透镜6、聚焦透镜7、单模光纤8、光谱仪9。
所述的圆柱阵列5采用的材料为银，其厚度为20~40nm，直径为66~166nm。
所述的圆柱阵列5圆柱间最短间距为80nm以上。
基于无序金属圆柱阵列大角度的光学调色方法是：入射白光光源1经过第一准直透镜2准直后，再由偏振片3转换成线偏振白光，继而入射至玻璃基底4和圆柱阵列5，通过玻璃基底与圆柱阵列的界面形成的表面等离子共振效应将光调制成跟圆柱尺寸相关的具有选波特性的出射光；出射光经过第二准直透镜6和聚焦透镜7进行准直、聚焦后由单模光纤8收集进入光谱仪9，最后得到其光谱曲线；通过旋转偏振片3改变入射光的偏振方向，在不同入射光偏振方向下的调制特性不变，即调制光谱的透射率最低点对应的波长不变，透射光颜色保持不变；通过倾斜玻璃基底4和圆柱阵列5改变入射角度，在入射角从0度增加到60度时，调制光谱的透射率最低点对应的波长仅改变30nm。
根据如图2所示的结构示意图，采用lift-off工艺，在玻璃基底上根据不同的结构参数（圆柱的直径）制备出无序的银圆柱。先在玻璃基底上甩一层光刻胶PMMA，然后利用电子束曝光（EBL）的方法根据参数需要在光刻胶上曝光出无序的圆孔（直径范围66nm~166nm），经过显影之后再利用电子束蒸镀的方法在其上蒸镀上一层40nm厚的银膜，最后将剩余光刻胶及其上方沉积的金属银用超声清洗掉便得到玻璃基底上无序的银圆柱。
实施例
下面以直径为76nm、96nm、106nm、166nm的无序银圆柱结构滤波器开展制备及其偏振、角度相关性研究。
该实施例制备出了一系列直径不同的基于无序金属圆柱阵列的颜色滤波器，图3显示了圆柱直径分别为76nm、96nm、166nm的三个颜色滤波器的透射率曲线，从图中可以看出最高透射率能达到70%~80%左右，通过改变圆柱直径从76nm到166nm，实现了透射谱的最低点从495nm调谐到644nm，覆盖了大部分可见光范围；针对圆柱直径为76nm、96nm、166nm的三个颜色滤波器，分别就两种不同的入射光偏振状态（偏振方向相互垂直）比较了其透射率曲线，由图4可以看出对三个颜色滤波器而言，其透射谱在不同的入射光偏振状态下均保持较好地一致性，显示了该调色方法对偏振的无关性，图中出现的细微差别是由于未完全消除圆柱间的电场耦合作用及圆柱分布空间上并非完美均匀所导致的；针对圆柱直径为106nm的结构，在自然偏振条件下，通过倾斜颜色滤波器改变入射光角度为10度、30度、40度、50度、60度，分别测量并比较了其透射率曲线，从图5可以看出入射角从10度增加到60度，其透射率曲线的最低点仅发生了微小的红移，大致红移了30nm，显示了较好地角度不敏感性，而其在透射率上的差异是因为当入射光角度不同时，入射光平行于金属-玻璃界面的电场分量不一样，最终导致激发的表面等离子共振的强度不同，从而使得透射率在强度上会有差异。
Claims (2)
1.一种基于无序金属圆柱阵列大角度的光学调色装置，其特征在于，包括白光光源(1)、第一准直透镜（2）、偏振片（3）、玻璃基底(4)、圆柱阵列(5)、第二准直透镜（6）、聚焦透镜（7）、单模光纤（8）、光谱仪（9）；在玻璃基底(4)上设有圆柱阵列(5)，在玻璃基底(4)下方顺次设有偏振片（3）、第一准直透镜（2）、白光光源(1)，在玻璃基底(4)上方顺次设有第二准直透镜（6）、聚焦透镜（7）、单模光纤（8）、光谱仪（9）；所述的圆柱阵列(5)采用的材料为银，其厚度为20~40nm，直径为66~166nm；所述的圆柱阵列(5)圆柱间最短间距为80nm以上。
2.一种使用如权利要求1所述装置的基于无序金属圆柱阵列大角度的光学调色方法，其特征在于，入射白光光源（1）经过第一准直透镜（2）准直后，再由偏振片（3）转换成线偏振白光，继而入射至玻璃基底（4）和圆柱阵列（5），通过玻璃基底与圆柱阵列的界面形成的表面等离子共振效应将光调制成跟圆柱尺寸相关的具有选波特性的出射光；出射光经过第二准直透镜（6）和聚焦透镜（7）进行准直、聚焦后由单模光纤（8）收集进入光谱仪（9），最后得到其光谱曲线；通过旋转偏振片（3）改变入射光的偏振方向，在不同入射光偏振方向下的调制特性不变，即调制光谱的透射率最低点对应的波长不变，透射光颜色保持不变；通过倾斜玻璃基底（4）和圆柱阵列（5）改变入射角度，在入射角从0度增加到60度时，调制光谱的透射率最低点对应的波长仅改变30nm。
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