CN108732672A - 一种光学滤波器结构及其制备方法和透射特性的调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学器件，具体涉及一种光学滤波器结构及其制备方法和透射特性的调节方法，由基底层、调控层和介质层由下及上依次连接构成，介质层内嵌有两个矩形金属纳米块，金属纳米块上表面与介质层上表面相平，金属纳米块下表面高于介质层下表面，调控层为VO₂薄膜，金属纳米块由贵金属材料制成。本申请实施例通过控制光学滤波器结构所处环境温度来实现调控层的相变，从而改变本申请实施例光学滤波器结构的透射特性，可实现宽频透射，而且能对中红外波段实现调节宽频透射强度和局域电场增强位置，制备和使用方法简单方便，易于操作。

Description

一种光学滤波器结构及其制备方法和透射特性的调节方法

技术领域

本发明属于光学器件技术领域，具体涉及一种光学滤波器结构及其制备方法和透射特性的调节方法。

背景技术

目前研究者们研究了圆形的纳米孔、球状体和三角形金属纳米结构的光学透射特性，发现由形态共振、表面等离极化激元共振、局域表面等离激元共振可以形成EOT现象。但是由此造成的EOT透射光谱一般表现出较窄的透射峰，从而限制了它的应用。

发明内容

为了解决现有技术中存在的ETO透射峰窄的问题，本申请实施例提供了一种光学滤波器结构及其制备方法和透射特性的调节方法，本申请实施例通过控制光学滤波器结构所处环境温度来实现调控层的相变，从而改变本申请实施例光学滤波器结构的透射特性。本申请实施例可实现宽频透射，而且能对中红外波段实现调节宽频透射强度和局域电场增强位置，并在可见光波段也具有一定的调控能力。该结构可一体成型，后期使用时只需要根据需要改变环境温度即可实现对宽频透射强度及局域电场增强位置的调节，且响应时间短，制备和使用方法简单方便，易于操作。

本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种光学滤波器结构，由基底层、调控层和介质层由下及上依次连接构成；所述介质层内嵌有两个矩形金属纳米块；所述金属纳米块上表面与所述介质层上表面相平，所述金属纳米块下表面高于所述介质层下表面；所述调控层为VO₂薄膜；所述金属纳米块由贵金属材料制成。

进一步地，所述基底层为玻璃基底；所述介质层由透明绝缘材料制成。

进一步地，所述介质层厚度为40～100nm。

进一步地，一种光学滤波器结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、准备基底：准备清洁干燥的玻璃基底备用；

步骤2、制备调控层：利用磁控溅射在步骤1准备好的玻璃基底上制备VO₂薄膜；

步骤3、甩胶：在步骤2得到铺设有VO₂薄膜的基底上旋涂PMMA光刻胶，旋涂厚度为介质层厚度，待涂胶结束后将基底置于热板上烘干；

步骤4、曝光：用图形发生器设计介质层中两个矩形金属纳米块图案，并用电子束曝光步骤3烘干后的基底，曝光深度为金属纳米层厚度，得到曝光后的基底；

步骤5、显影定影：将步骤5曝光后的基底依次放入显影液和定影液中分别浸泡，矩形金属纳米块部分被溶解，其余部分保留，然后取出烘干，形成含有步骤4中设计的矩形金属纳米块形状的孔穴；

步骤6、蒸镀贵金属：将步骤5烘干的基底放入电子束真空蒸发镀膜机中正对步骤5中形成的孔穴，在孔穴内蒸镀贵金属，待蒸镀完成并冷却后拿出，在孔穴形成所述矩形金属纳米块，即得到所述光学滤波器。

进一步地，一种光学滤波器结构透射特性的调节方法，包括以下步骤：

将所述光学滤波器置于一透明腔室中，通过调节腔室温度T＜60℃或者T＞60℃，调控层VO₂薄膜在不同的室温下具有不同的相态，从而具有不同的透射特性，即可达到调节所述光学滤波器透射特性的目的。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)本申请实施例光学滤波器结构可实现非共振实现宽频EOT现象，通过调节室温，使得调控层VO₂薄膜在不同温度时表现为不同相态，从而改变其折射率与消光系数，调控层光学特性发生改变，从而实现调节本申请实施例光学滤波器结构的透射特性的目的。

(2)本申请实施例光学滤波器结构，通过调节光学滤波器所处环境至不同的温度使调控层VO₂薄膜发生相变，改变矩形金属纳米块与调控层之间的耦合作用，使得矩形金属纳米块表面和调控层内的电荷重新分布，实现电场的重新分布，达到调控电场分布与局域电场增强位置的目的。

(3)本申请实施例光学滤波器结构，通过调节室温即可实现对本申请实施例光学滤波器中而且能对中红外波段实现调节宽频透射强度和局域电场增强位置，并在可见光波段也具有一定的调控能力。该结构可一体成型，后期使用时只需要根据需要改变环境温度即可实现对宽频透射强度及局域电场增强位置的调节，且响应时间短，制备和调节方法简单方便，易于操作。

(4)本申请实施例光学滤波器结构，在中红外波段范围内可实现超过1μm范围的宽频透射，并可通过调节室温调节调控层VO₂薄膜的相态，来实现对宽频透射特性的调节。

(5)本申请实施例光学滤波器结构，采用磁控溅射方法制备的VO₂薄膜与介质层结构致密，分布与层厚度均匀，薄膜厚度容易控制，且利用磁控溅射在玻璃基底上制备出的VO₂的相变温度约为60℃，与室温相近，不会影响光学滤波器的其他组成部件的几何光学特性。

(6)本申请实施例光学滤波器结构具有很强的鲁棒性，对于不同周期间距的矩形金属纳米块以及不同长度的矩形金属纳米块都可得到具有相同效果的滤波作用，这一特点大大降低了对电子束曝光精确性的要求，使得该光学器件的制备变得更加容易。

(7)本申请实施例光学滤波器结构中调控层VO₂在达到相变温度后，相变时间非常短，在ns级别，可以极大的提高调控的灵敏度。

附图说明

图1是本申请实施例光学滤波器结构示意图；

图2是本申请实施例光学滤波器结构对入射光的透射光谱图；

图3是本申请实施例光学滤波器结构在相变温度环境下电场分布图。

图中：1、基底层；2、调控层；3、介质层；4、金属纳米块。

具体实施方式

为了解决现有技术中存在的ETO透射峰窄的问题，本申请实施例提供了一种光学滤波器结构及其制备方法和透射特性的调节方法，本申请实施例通过控制光学滤波器结构所处环境温度来实现调控层的相变，从而改变本申请实施例光学滤波器结构的透射特性。本申请实施例可实现宽频透射，而且能对中红外波段实现调节宽频透射强度和局域电场增强位置，并在可见光波段也具有一定的调控能力。该结构可一体成型，后期使用时只需要根据需要改变环境温度即可实现对宽频透射强度及局域电场增强位置的调节，且响应时间短，制备和使用方法简单方便，易于操作。

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1所示，为本实施例一种光学滤波器结构，由基底层1、调控层2和介质层3由下及上依次连接构成，介质层3内嵌有两个矩形金属纳米块4，金属纳米块4上表面与介质层3上表面相平，金属纳米块4下表面高于介质层3下表面，调控层2为VO₂薄膜，金属纳米块4由贵金属材料制成。

具体而言：金属纳米块4由贵金属材料，贵金属材料可以为金、银中的一种，本实施例优选为金材料。基底层1为玻璃基底，介质层3由透明绝缘材料制成，本实施例优选为PMMA。介质层3厚度为40～100nm。

具体而言：本实施例中VO₂可以通过改变光学滤波器结构所处环境温度实现相变，使VO₂的晶格结构可以由四方金红石结构(T＞60℃)变为单斜结构(T＜60℃)或反之，从而实现调控的光学特性的变化。

本申请实施例光学滤波器结构可实现非共振实现宽频EOT现象，通过调节室温，使得调控层2VO₂薄膜在不同温度时表现为不同相态，从而改变其折射率与消光系数，调控层2光学特性发生改变，从而实现调节本申请实施例光学滤波器结构的透射特性的目的。

本实施例光学滤波器结构，通过调节光学滤波器所处环境至不同的温度使调控层2VO₂薄膜发生相变，改变矩形金属纳米块4与调控层2之间的耦合作用，使得矩形金属纳米块4表面和调控层2内的电荷重新分布，实现电场的重新分布，达到调控电场分布与局域电场增强位置的目的。

实施例2：

基于实施例1公开的光学滤波器结构，本实施例公开了一种光学滤波器的通过调节本实施例中两个矩形金属纳米块4的长度及两个矩形金属纳米块4与介质层3边界之间的距离，其透射特性及电场的变化。

如图1所示，当两个矩形金属纳米块4长均为50nm，两个矩形金属纳米块4之间距离为50nm，两个矩形金属纳米块4分别距离介质层3边界的距离为50nm，即介质层3长度为250nm。

如图2对于介质层3长度为250nm的光学滤波器结构两条透射光谱曲线，即为图2所示光学滤波器结构的透射光谱，从图中可以看到，在室温20℃的环境中，在2～3um的中红外波段内，透射率都大于70％，最大值达到了80％；当达到相变温度以上，即加热光学滤波器结构所处环境至60℃以上时，在该波段内透射率都小于20％，最小值达到了16％。差值最大处达到了60％。

本实施例中光学滤波器结构具有很强的光学滤波作用，可实现波长范围超过1um的宽频范围内进行滤波，利用改变该光学滤波器结构所处环境温度，在不改变结构本身的前提下，通过外界环境温度可以方便的改变其透射特性，且VO₂在达到相变温度后，相变时间非常短，在ns级别，可以极大的提高调控的灵敏度。

实施例3：

基于实施例2所公开的一种光学滤波器，本实施例公开了一种光学滤波器，与实施例2不同处在于，本实施例中，如图1所示，两个矩形金属纳米块4长均为50nm，两个矩形金属纳米块4之间距离为50nm，两个矩形金属纳米块4分别距离介质层3边界的距离为75nm，即介质层3长度为300nm。

本实施例中VO₂可以通过改变温度实现相变，使VO₂的晶格结构可以由四方金红石结构(T＞60℃)变为单斜结构(T＜60℃)或反之，从而实现调控的光学特性的变化。

从图2中可以看到，介质层3长度变为300nm的光学滤波器的滤波效果与实施例2中的效果一样，在2～3um波段内可以看到，在室温20℃的环境中，透射率都大于70％，最大值达到了80％；当达到相变温度以上，即加热光学滤波器周围环境至60℃以上时，在该波段内透射率都小于20％，最小值达到了16％。差值最大处达到了60％。

可以看出，与实施例2中所公开的光学滤波器结构的透射结果相比较，本实施例所提出的光学滤波器有很强的鲁棒性，对于不同间距的矩形金属纳米块4可得到具有相同效果的滤波作用，这一特点大大降低了对电子束曝光精确性的要求，使得该光学器件的制备变得更加容易。

实施例4：

基于实施例2所公开的光学滤波器结构，本实施例公开了一种光学滤波器，如图1所示，与实施例1不同处在于，本实施例中，两个矩形金属纳米块4长度不等，分别为50nm和70nm。

本实施例中VO₂可以通过改变温度实现相变，使VO₂的晶格结构可以由四方金红石结构(T＞60℃)变为单斜结构(T＜60℃)或反之，从而实现调控的光学特性的变化。

从图2中可以看到，当两个矩形金属纳米块4长度不等，分别为50nm和70nm时的光学滤波器结构的滤波效果与实施例2中的效果一样，在2～3um波段内可以看到，在室温20℃的环境中，透射率都大于70％，最大值达到了80％；当达到相变温度以上，即使得光学滤波器结构所处环境至60℃以上时，在该波段内透射率都小于20％，最小值达到了16％。差值最大处达到了60％。

与实施例2中提到的光学滤波器的透射结果相比较，可以看出本申请所提出的光学滤波器有很强的鲁棒性，对于不同长度的矩形金属纳米块4都可得到具有相同效果的滤波作用，这一特点大大降低了对电子束曝光精确性的要求，使得该光学器件的制备变得更加容易。

实施例5：

基于实施例1公开的一种光学滤波器结构，本实施例公开了一种光学滤波器结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、准备基底：准备清洁干燥的玻璃基底备用；

步骤2、制备调控层2：利用磁控溅射在步骤1准备好的玻璃基底上制备VO₂薄膜；

步骤3、甩胶：在步骤2得到铺设有VO₂薄膜的基底上旋涂PMMA光刻胶，旋涂厚度为介质层3厚度，待涂胶结束后将基底置于热板上烘干；

步骤4、曝光：用图形发生器设计介质层3中两个矩形金属纳米块4图案，并用电子束曝光步骤3烘干后的基底，曝光深度为金属纳米层厚度，得到曝光后的基底；

步骤5、显影定影：将步骤5曝光后的基底依次放入显影液和定影液中分别浸泡，矩形金属纳米块4部分被溶解，其余部分保留，然后取出烘干，形成含有步骤4中设计的矩形金属纳米块4形状的孔穴；

步骤6、蒸镀贵金属：将步骤5烘干的基底放入电子束真空蒸发镀膜机中正对步骤5中形成的孔穴，在孔穴内蒸镀贵金属，待蒸镀完成并冷却后拿出，在孔穴形成所述矩形金属纳米块4，即得到所述光学滤波器。

具体而言：本实施例光学滤波器结构，采用磁控溅射方法制备的VO₂薄膜与介质层3结构致密，分布与层厚度均匀，薄膜厚度容易控制，且利用磁控溅射在玻璃基底上制备出的VO₂的相变温度约为60℃，与室温相近，不会影响光学滤波器的其他组成部件的几何光学特性。制备工艺简单，具有很强的推广应用价值。

实施例6：

基于实施例1公开的一种光学滤波器结构，本实施例公开了一种光学滤波器结构透射特性的调节方法，包括以下步骤：

将所述光学滤波器置于一透明腔室中，通过调节腔室温度T＜60℃或者T＞60℃，调控层2VO₂薄膜在不同的室温下具有不同的相态，从而具有不同的透射特性，即可达到调节所述光学滤波器透射特性的目的。

具体而言：在室温下，将本实施例光学滤波器结构置于光谱仪样品腔中，控制腔室温度为室温，即20℃，开启光源与探测器，测得调控层2VO₂薄膜层没有发生相变时光学滤波器的透射光谱图。然后加热腔室温度至60℃，开启光源与探测器，测得调控层2VO₂薄膜层发生相变时光学滤波器的透射光谱图。

本实施例中提到的光学滤波器的使用方法可以方便的在实验环境中实现，大多光谱仪都可对样品腔加温或冷却，且该光学滤波器中调控层2VO₂薄膜层相变时间很短，在达到相变温度后就可以快速的得到相应的透射曲线，且VO₂相变温度60℃与室温相近，对该光学滤波器其他部分不会造成影响。

本申请实施例光学滤波器结构，通过调节室温即可实现对本申请实施例光学滤波器中而且能对中红外波段实现调节宽频透射强度和局域电场增强位置，并在可见光波段也具有一定的调控能力。该结构可一体成型，后期使用时只需要根据需要改变环境温度即可实现对宽频透射强度及局域电场增强位置的调节，且响应时间短，制备和调节方法简单方便，易于操作。

本实施例使用电磁仿真软件COMSOL Multiphysics对实施例2所公开的光学滤波器结构进行模拟。具体参数为：如图1所示，基底层1厚度为50nm，介质层3长度为250nm，介质层3厚40nm，调控层2厚100nm，两个矩形金属纳米块4长50nm×宽50nm×厚50nm，两个矩形金属纳米块4间距为50nm。

如图3(a)所示在室温20℃时，共振波长为2.5μm时的电场分布图。由图3(a)中可以看出，此时VO₂没有发生相变，局域电场增强的位置主要分布在矩形金属块两侧，与调控层2并没有耦合。

如图3(b)所示当光学滤波器结构所处环境温度升至60℃时，VO₂发生相变，其局域电场分布不仅在矩形金属块两侧很强外，强电场分布还延伸到了介质层3以及调控层2，除此之外，在两个矩形金属纳米块4之间的电场强度也得到了大幅度的增强。

当该光学滤波器结构所处环境温度由小于60℃变化到大于60℃时，本实施例光学滤波器结构局域电场增强位置发生了改变，其电场强度也发生了改变，这一新效应可以应用在近场宽频光捕获、传感器等领域，更为其他光学器件的研究提供了一种新的研究方向和思路，具有一定的指导意义。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种光学滤波器结构，其特征在于：由基底层、调控层和介质层由下及上依次连接构成；所述介质层内嵌有两个矩形金属纳米块；所述金属纳米块上表面与所述介质层上表面相平，所述金属纳米块下表面高于所述介质层下表面；

所述调控层为VO₂薄膜；所述金属纳米块由贵金属材料制成。

2.根据权利要求1所述的光学滤波器结构，其特征在于：所述基底层为玻璃基底；所述介质层由透明绝缘材料制成。

3.根据权利要求2所述的光学滤波器结构，其特征在于：所述介质层厚度为40～100nm。

4.根据权利要求1-3所述任一光学滤波器结构的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、准备基底：准备清洁干燥的玻璃基底备用；

步骤2、制备调控层：利用磁控溅射在步骤1准备好的玻璃基底上制备VO₂薄膜；

步骤3、甩胶：在步骤2得到铺设有VO₂薄膜的基底上旋涂PMMA光刻胶，旋涂厚度为介质层厚度，待涂胶结束后将基底置于热板上烘干；

步骤4、曝光：用图形发生器设计介质层中两个矩形金属纳米块图案，并用电子束曝光步骤3烘干后的基底，曝光深度为金属纳米层厚度，得到曝光后的基底；

步骤5、显影定影：将步骤5曝光后的基底依次放入显影液和定影液中分别浸泡，矩形金属纳米块部分被溶解，其余部分保留，然后取出烘干，形成含有步骤4中设计的矩形金属纳米块形状的孔穴；

步骤6、蒸镀贵金属：将步骤5烘干的基底放入电子束真空蒸发镀膜机中正对步骤5中形成的孔穴，在孔穴内蒸镀贵金属，待蒸镀完成并冷却后拿出，在孔穴形成所述矩形金属纳米块，即得到所述光学滤波器。

5.由权利要求1-3所述的任一光学滤波器结构透射特性的调节方法，其特征在于：包括以下步骤：

将所述光学滤波器置于一透明腔室中，通过调节腔室温度T＜60℃或者T＞60℃，调控层VO₂薄膜在不同的室温下具有不同的相态，从而具有不同的透射特性，即可达到调节所述光学滤波器透射特性的目的。