CN108879040B - 一种基于金属圆环结构的可调谐带阻滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于金属圆环结构的可调谐带阻滤波器，包括基板，基板的板面上垂直设置有一个以上的圆柱形的滤波单元，各滤波单元均包括一个滤波结构或者两个以上的滤波结构，各滤波结构均包括两个金属圆环层和设置于两个金属圆环层之间的中空电介质圆柱体，各金属圆环层的内、外径尺寸与中空电介质圆柱体的内、外径尺寸对应相等。整体采用基板加滤波单元组成，结构简单，金属圆环层和中空电介质圆柱体两者的内外径尺寸相同，使滤波单元非常便于加工，滤波器整体也便于加工，而且圆柱形的滤波单元具有最完美对称性，使得滤波器可以在不同偏振方向的电磁波作用下产生相同效果，电磁波可以任意角度照射到该结构上，都能起到相同的滤波效果。
Description
技术领域
本发明涉及滤波器领域，具体涉及一种基于金属圆环结构的可调谐带阻滤波器。
背景技术
超材料（Metamaterial）,又称特异材料，是一种人工构造的微小单元按照一定的规律排列所构成的人工新型复合材料，该材料具备天然材料所不具备的特殊性质，超材料的性质不仅仅取决于构成材料的物理化学本征的性质，更取决于其结构单元对于波的响应。超材料是近十年来国际学术界的研究热点之一，对于超材料的研究受到人们的广泛关注。超材料的起源要追溯到20世纪初人们对“左手材料”的研究，“左手材料”是指有效介电常数和有效磁导率同时为负值的材料。在2000年，美国科学家David R.Smith等人在微波波段上第一次实现了负折射率材料。近年来，发展了众多调控电磁波的器件，如人工磁性材料，隐身衣，超透镜，完美吸波材料等。人们还把超材料的工作频率推向：太赫兹，近红外，可见光波段。
滤波器是一种对波进行过滤的器件，在光学、通信等领域都发挥着极其重要的作用。滤波器按所通频带可分为带阻滤波器、带通滤波器、高通滤波器、低通滤波器。带阻滤波器即只有某一段频率或波长的波不能通过，带通滤波器即只有某一段频率或波长的波可以通过，高通滤波器是指高于设定的频率临界值的信号可以通过，低通滤波器则是低于设定临界值的信号可以通过。基于超材料的滤波器由于响应共振特性，带宽总是相对较窄，这大大限制了需要更宽禁带的某些应用。
目前，2007年刘娜等人在《Plasmon Hybridization in Stacked Cut‐WireMetamaterials》中提出了一种基于金属圆环结构的可调谐带阻滤波器，该滤波器的底部是由从下到上依次为玻璃基板、金膜层、氟化镁组成的三层结构，在氟化镁上面放置了多个梯形的三维立体结构的单元并阵列布置，该三维立体结构是由从下至上依次布置的下层金膜、氟化镁、上层金膜组成的复合结构，上层金膜的尺寸比下层金膜的尺寸要小，三层结构的底部导致其结构复杂，该三维立体结构具有顶面小底面大的特点，导致在制备时相对困难，而且没有考虑入射电磁波的方向，导致上述结构的滤波效果不能很好的满足需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、易于加工且滤波效果好的基于金属圆环结构的可调谐带阻滤波器。
为实现上述目的，本发明的一种基于金属圆环结构的可调谐带阻滤波器采用如下技术方案：一种基于金属圆环结构的可调谐带阻滤波器，包括基板，基板的板面上垂直设置有一个以上的圆柱形的滤波单元，各滤波单元均包括一个滤波结构或者包括沿垂直于所述板面方向依次设置有两个以上的滤波结构，各滤波结构均包括间隔设置的两个金属圆环层和设置于两个金属圆环层之间的中空电介质圆柱体，各金属圆环层的内、外径尺寸与中空电介质圆柱体的内、外径尺寸对应相等。
所述金属圆环层为银材质。
所述中空电介质圆柱体为二氧化硅材质。
所述金属圆环层的内半径为40-80nm，金属圆环层的外半径为90-120nm，金属圆环层的高度为30-80nm，中空电介质圆柱体的高度小于等于220nm。
所述金属圆环层的内半径为60nm，外半径为100nm。
所述金属圆环层的高度为40nm。
所述中空电介质圆柱体的高度为145nm。
各滤波单元均包括两个所述滤波结构，两个滤波结构之间共用一个金属圆环层。
各滤波单元均包括三个所述滤波结构，相邻的两个滤波结构共用一个金属圆环层。
本发明的有益效果：该带阻滤波器包括基板，基板上垂直设置有一个以上的滤波单元，滤波单元呈圆柱形，各滤波单元均包括一个或两个以上的滤波结构，各滤波结构均包括上下间隔设置的两个金属圆环层和中间的一个中空电介质圆柱体，整体采用基板加滤波单元组成，结构简单；金属圆环层和中空电介质圆柱体两者的内外径尺寸相同，使滤波单元非常便于加工，滤波器整体也便于加工；而且通过调节金属圆环层和中空电介质圆柱体的参数来促进各个金属圆环层之间的等离子体发生相互作用产生不同的光谱响应，实现滤波效果，通过改变各滤波单元的滤波结构的数量以及各个参数可以实现不同的滤波带宽和不同的响应频率，而且圆柱形的滤波单元具有最完美对称性，使得滤波器可以在不同偏振方向的电磁波作用下产生相同效果，电磁波可以任意角度照射到该结构上，都能起到相同的滤波效果。
附图说明
图1是本发明的一种基于金属圆环结构的可调谐带阻滤波器的实施例一的结构示意图；
图2是图1中的可调谐带阻滤波器的波长与透射率关系图；
图3是随着中空电介质圆柱体高度h的变化，可调谐带阻滤波器的透射光谱的变化曲线图；
图4是本发明的一种基于金属圆环结构的可调谐带阻滤波器的实施例二的结构示意图；
图5是图4中的可调谐带阻滤波器的波长与透射率关系图；
图6是本发明的一种基于金属圆环结构的可调谐带阻滤波器的实施例三的结构示意图；
图7为图6中的可调谐带阻滤波器的波长与透射率关系图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的一种基于金属圆环结构的可调谐带阻滤波器实施例一：如图1-图3所示，包括石英材质的基板1，基板1的上板面上垂直设置有多个呈中空圆柱形结构的滤波单元2，各滤波单元2均包括由下至上依次设置有三个滤波结构3，三个滤波结构3由下至上分别为第一滤波结构、第二滤波结构和第三滤波结构。
各滤波单元2均包括由下至上依次设置于基板1的上板面上的第一金属圆环层4、第一中空电介质圆柱体5、第二金属圆环层6、第二中空电介质圆柱体7、第三金属圆环层8、第三中空电介质圆柱体9和第四金属圆环层10。第一金属圆环层4、第一中空电介质圆柱体5和第二金属圆环层6形成第一滤波结构，第二金属圆环层6、第二中空电介质圆柱体7和第三金属圆环层8形成第二滤波结构，第三金属圆环层8、第三中空电介质圆柱体9和第四金属圆环层10形成第三滤波结构，即上下相邻设置的两个滤波结构3共用一个金属圆环层。第一金属圆环层4、第一中空电介质圆柱体5、第二金属圆环层6、第二中空电介质圆柱体7、第三金属圆环层8、第三中空电介质圆柱体9和第四金属圆环层10的内、外径尺寸均相同。
各金属圆环层均为银材料，各中空电介质圆柱体均为二氧化硅材料。金属圆环层的内半径为60nm，外半径为100nm，金属圆环层的高度为40nm，中空电介质圆柱体的高度为145nm。本实施例中个滤波单元的滤波结构3的数量为三个，具有4个透射最小值。可调谐带阻滤波器的波长与透射率关系图，如图2所示。图3为随着中空电介质圆柱体高度h的变化，可调谐带阻滤波器的透射光谱的变化曲线图，图3中给出了h为50nm、100nm和200nm时可调谐带阻滤波器的波长与透射率的关系图。
本发明的一种基于金属圆环结构的可调谐带阻滤波器的制备过程包括以下步骤：
步骤1），先制备金属圆环然后基于金属圆环制备中空电介质圆柱体；
步骤2），清洗材质为石英的基板：先对基板进行表面处理，然后进行预烘烤去除由于表面处理而带来的水蒸气；
步骤3），旋转涂胶：旋转涂胶要经过滴胶、低速旋转、高速旋转几个步骤，选用喷雾涂胶法；
步骤4）， 曝光：在掩膜板的作用下对光刻胶进行曝光；
步骤5），显影：对曝光后的光刻胶用显影液进行显影即使用显影液对光刻胶选择性腐蚀的过程；
步骤6）， 离子注入：对显影后有一定结构的光刻胶进行离子注入；
步骤7), 重复步骤3；
步骤8), 重复步骤4，该步骤的掩膜板与步骤三的掩膜板相同；
步骤9), 重复步骤5；
步骤10), 对步骤9）后有一定结构的光刻胶中注入二氧化硅；
步骤11), 对二氧化硅固体进行离子束刻蚀得到中空的圆柱体；
重复上述步骤，最后洗去光刻胶就可以得到相应的结构，图1所示。
本发明的一种基于金属圆环结构的可调谐带阻滤波器的实施例二，如图4-5所示，与实施例一的区别在于，各滤波单元的滤波结构3的数量为两个，此时各滤波单元包括由下至上依次布置的第一金属圆环层4、第一中空电介质圆柱体5、第二金属圆环层6、第二中空电介质圆柱体7和第三金属圆环层8，上下设置的两个滤波结构3共用一个金属圆环层，此时具有2个透射最小值，此时可调谐带阻滤波器的波长与透射率关系图，如图5所示。
本发明的一种基于金属圆环结构的可调谐带阻滤波器的实施例三，如图6-7所示，与实施例一的区别在于，各滤波单元的滤波结构3的数量为一个，此时各滤波单元包括由下至上依次布置的第一金属圆环层4、第一中空电介质圆柱体5和第二金属圆环层6，此时具有2个透射最小值，此时可调谐带阻滤波器的波长与透射率曲线图，如图7所示。
本发明的一种基于金属圆环结构的可调谐带阻滤波器的实施例四，与实施例一的区别在于，金属圆环层的内半径为40nm，要保证金属圆环层的内、外径与中空电介质圆柱体的内、外径对应相等，且各金属圆环层尺寸相同，各中空电介质圆柱体的尺寸相同。
本发明的一种基于金属圆环结构的可调谐带阻滤波器的实施例五，与实施例一的区别在于，金属圆环层的内半径为80nm，要保证金属圆环层的内、外径与中空电介质圆柱体的内、外径对应相等，且各金属圆环层尺寸相同，各中空电介质圆柱体的尺寸相同。
本发明的一种基于金属圆环结构的可调谐带阻滤波器的实施例六，与实施例一的区别在于，金属圆环层的外半径为90nm，要保证金属圆环层的内、外径与中空电介质圆柱体的内、外径对应相等，且各金属圆环层尺寸相同，各中空电介质圆柱体的尺寸相同。
本发明的一种基于金属圆环结构的可调谐带阻滤波器的实施例七，与实施例一的区别在于，金属圆环层的外半径为120nm，要保证金属圆环层的内、外径与中空电介质圆柱体的内、外径对应相等，且各金属圆环层尺寸相同，各中空电介质圆柱体的尺寸相同。
本发明的一种基于金属圆环结构的可调谐带阻滤波器的实施例八，与实施例一的区别在于，金属圆环层的高度为30nm，要保证金属圆环层的内、外径与中空电介质圆柱体的内、外径对应相等，且各金属圆环层尺寸相同，各中空电介质圆柱体的尺寸相同。
本发明的一种基于金属圆环结构的可调谐带阻滤波器的实施例九，与实施例一的区别在于，金属圆环层的高度为80nm，要保证金属圆环层的内、外径与中空电介质圆柱体的内、外径对应相等，且各金属圆环层尺寸相同，各中空电介质圆柱体的尺寸相同。
本发明的一种基于金属圆环结构的可调谐带阻滤波器的实施例十，与实施例一的区别在于，中空电介质圆柱体的高度为220nm，要保证金属圆环层的内、外径与中空电介质圆柱体的内、外径对应相等，且各金属圆环层尺寸相同，各中空电介质圆柱体的尺寸相同。
Claims (5)
1.一种基于金属圆环结构的可调谐带阻滤波器，包括基板，其特征在于：基板的板面上垂直设置有一个以上的圆柱形的滤波单元，各滤波单元均包括一个滤波结构或者包括沿垂直于所述板面方向依次设置有两个以上的滤波结构，各滤波结构均包括间隔设置的两个金属圆环层和设置于两个金属圆环层之间的中空电介质圆柱体，各金属圆环层的内、外径尺寸与中空电介质圆柱体的内、外径尺寸对应相等，所述金属圆环层为银材质，所述中空电介质圆柱体为二氧化硅材质，各滤波单元均包括两个所述滤波结构，两个滤波结构之间共用一个金属圆环层，或者各滤波单元均包括三个所述滤波结构，相邻的两个滤波结构共用一个金属圆环层。
2.根据权利要求1所述的基于金属圆环结构的可调谐带阻滤波器，其特征在于：所述金属圆环层的内半径为40-80nm，金属圆环层的外半径为90-120nm，金属圆环层的高度为30-80nm，中空电介质圆柱体的高度小于等于220nm。
3.根据权利要求2所述的基于金属圆环结构的可调谐带阻滤波器，其特征在于：所述金属圆环层的内半径为60nm，外半径为100nm。
4.根据权利要求2所述的基于金属圆环结构的可调谐带阻滤波器，其特征在于：所述金属圆环层的高度为40nm。
5.根据权利要求2所述的基于金属圆环结构的可调谐带阻滤波器，其特征在于：所述中空电介质圆柱体的高度为145nm。
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