CN108957613B - 一种可调中心波长超材料窄带滤色片的结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及滤色片领域的一种可调中心波长超材料窄带滤色片结构，一种可调中心波长超材料窄带滤色片的结构，由玻璃衬底和玻璃衬底上空气间隔排列的超材料单元构成，超材料单元由多层单元层的交替膜构成，每层单元层的交替膜由一层的介质层和一层的金属层构成，超材料单元之间通过空气间隔分离，入射光从玻璃衬底上空气间隔排列的超材料方向入射从玻璃衬底穿出。通过改变矩阵阵列的结构参数、介质层与金属层的厚度以及介质层与金属层堆叠的周期可以有效调控器件的中心波长，实现小半峰宽度，高透过率，偏振不敏感。

Description

一种可调中心波长超材料窄带滤色片的结构
技术领域
本发明涉及滤色片领域的一种可调中心波长超材料窄带滤色片结构，更详细而言，是一种在介质/金属周期性堆叠形成的超材料中，利用矩阵排列的沟槽不仅增强器件在某一中心波长下的透过率，而且通过改变器件参数可调节中心波长，实现中心波长易调节的全可见光范围内滤色。
背景技术
滤色片是一种在可见光波段选择性地反射或者透射特定波长而呈现不同颜色的常用光学元件。传统滤色片具有不能承受长时间的强光照射，光能损耗较大，对入射角度敏感等缺憾阻碍了其产业化进程。近年来，随着电磁波理论数值算法的发展和亚波长尺寸加工技术的进步，亚波长尺度结构的滤色片获得了长足的发展。依据亚波长结构中，光与纳米结构之间相互作用时的物理机制不同，可以将亚波长结构的滤色片大致分为光子晶体滤色片、等离激元滤色片和超材料滤色片。超材料是一种由特征尺寸远小于工作波长的结构单元所组成，具有自然界材料所不存在的电磁特性的人工材料，它具有高的光学敏感性而受到研究者的广泛关注。Xu Ya-wen团队设计了金属/电介质/金属结构高性能的超材料滤色片。研究结果表明：测量的TM和TE偏振方向上的透射光谱是一致的。当入射角达到45°时，所提出的超材料滤色片不仅实现了高透过率，而且结构参数对器件的中心波长也产生了影响。Xu和Lezec采用金属光栅/超材料/金属光栅复合结构，使该超材料滤色片不仅具有极窄带的透射光谱，为宽带光电探测器提供窄带探测能力，还大幅度地提高器件的检偏能力。伊斯兰阿萨德大学的Behnam Kazempour团队利用超材料掺杂一维光子晶体的可调滤色片结构，实现可调谐滤色片高透过率的中心波长的大移动。该器件分别在TM偏振光和TE偏振光的照射下，随着入射角度的变化，中心波长的位置以及器件在此波长下的透过率都会发生变化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何在提高中心波长透过率的同时，有效减少器件在该波长下的半峰宽度。另外，通过改变矩阵阵列的结构参数、介质层与金属层的厚度以及介质层与金属层堆叠的周期能有效调控器件的中心波长，实现窄半峰宽度，高透过率，偏振不敏感，整个可见光范围内能实现滤色的窄带滤色片的结构。
本发明所采用的技术方案是：一种可调中心波长超材料窄带滤色片的结构，由玻璃衬底和玻璃衬底上空气间隔排列的超材料单元构成，超材料单元由多层单元层的交替膜构成，每层单元层的交替膜由一层的介质层和一层的金属层构成，超材料单元之间通过空气间隔分离，入射光从玻璃衬底上空气间隔排列的超材料方向入射从玻璃衬底穿出。
作为一种优选方式：超材料单元厚度为350nm，超材料单元的横截面为正方形，其正方形边长为相邻两个超材料单元之间的距离的0.33倍。
作为一种优选方式：相邻两个超材料单元之间的距离为350nm。
作为一种优选方式：每层单元层的交替膜中，金属层厚度与介质层厚度的厚度比0.47。
作为一种优选方式：金属层中金属材料为金、银、铜、铝中的任意一种，介质层中的介质为二氧化硅、二氧化钛、氧化锌、氟化镁中的任意一种。
作为一种优选方式：入射光为AM1.5G的自然光，工作波段的波长为400nm~900nm。
作为一种优选方式：超材料单元由5层单元层的交替膜构成。
本发明的有益效果是：本发明首次在介质金属交替膜所形成的超材料滤色片中通过周期排列的矩阵阵列，用以增强滤色片中心波长下的透过率。通过改变矩阵阵列的结构参数、介质层与金属层的厚度以及介质层与金属层堆叠的周期可以有效调控器件的中心波长，实现小半峰宽度，高透过率，偏振不敏感，整个可见光范围内能实现滤色的窄带滤色片的结构，对制备高效的窄带滤色片的研究有重要的意义。
附图说明
图1是实施例1中可调中心波长超材料窄带滤色片的结构主视图示意图；
图2是实施例1中可调中心波长超材料窄带滤色片的结构俯视图示意图；
图3是实施例1中可调中心波长超材料窄带滤色片的结构左视图示意图；
其中，1、玻璃衬底，2、超材料单元，3、金属层（银），4、介质层（二氧化硅）。
具体实施方式
如图1所示，
如图1-图3所示，为了便于说明，本实施例以4块超材料单元2构成的可调中心波长超材料窄带滤色片的结构为例进行说明。
在玻璃衬底1上利用真空热镀膜技术或者是磁控溅射技术制备银层（金属层3）和二氧化硅层（介质层4），一层银和一层二氧化硅形成一层单元层的交替膜，一共有5层的单元层的交替膜，通过聚焦离子束光刻技术在衬底上形成周期排列的超材料矩阵阵列，超材料单元厚度为350nm，相邻两个超材料单元之间的距离为350nm，超材料单元的横截面正方形边长为相邻两个超材料单元之间的距离的0.33倍，金属层厚度与介质层厚度的厚度比0.47，入射光为AM1.5G的自然光，工作波段的波长为400nm~900nm。本发明提出的使用具有周期矩阵阵列结构可以将入射光有效的局域在相邻矩阵之间的孔洞内，使透过孔径的单位面积的光通量可以大于入射光的通量，从而大幅度提高滤色片在中心波长的透过率，从结构上以及性能上区别于现有技术。

Claims (4)

1.一种可调中心波长超材料窄带滤色片的结构，其特征在于：由玻璃衬底和玻璃衬底上空气间隔排列的超材料单元构成，超材料单元由多层单元层的交替膜构成，每层单元层的交替膜由一层的介质层和一层的金属层构成，每层单元层的交替膜中，金属层厚度与介质层厚度的厚度比0.47，超材料单元之间通过空气间隔分离，入射光从玻璃衬底上空气间隔排列的超材料方向入射从玻璃衬底穿出；超材料单元厚度为350nm，超材料单元的横截面为正方形，其正方形边长为相邻两个超材料单元之间的距离的0.33倍，相邻两个超材料单元之间的距离为350nm，通过改变矩阵阵列的结构参数、介质层与金属层的厚度以及介质层与金属层堆叠的周期有效调控器件的中心波长。
2.根据权利要求1所述的一种可调中心波长超材料窄带滤色片的结构，其特征在于：金属层中金属材料为金、银、铜、铝中的任意一种，介质层中的介质为二氧化硅、二氧化钛、氧化锌、氟化镁中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种可调中心波长超材料窄带滤色片的结构，其特征在于：入射光为AM1.5G的自然光，工作波段的波长为400nm～900nm。
4.根据权利要求1所述的一种可调中心波长超材料窄带滤色片的结构，其特征在于：超材料单元由5层单元层的交替膜构成。
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