CN110007386A - 一种阵列式窄带滤光片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种阵列式窄带滤光片，包括基底和相互杂化嵌套在基底上的第一光栅和第二光栅，第一光栅和第二光栅构成等离激元复合光栅，等离激元复合光栅周期为第一光栅和第二光栅的宽度之和；第一光栅沿着基底由下而上依次包括底部金属层、介质层、顶部金属层，第二光栅沿着基底由下而上依次包括介质层、顶部金属层，本发明的滤光片解决了现有等离激元滤光片高透射和窄线宽难以兼顾和较差带外抑制的问题；本发明还提供了一种阵列式窄带宽滤光片制备方法，利用该制备方法制备的滤光片具有低成本，窄线宽，弱旁峰和小型化等优异特性，在生物化学传感、气焰检测、多光谱成像等方面具有极高的应用前景和价值。

Description

一种阵列式窄带滤光片及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种多通道微纳滤光片领域，具体涉及一种阵列式窄带滤光片及其制备方法。
背景技术
等离激元学是纳米光子学的重要分支，在现代具有深远意义。它主要研究在波长(或亚波长)下光和物质的相互作用。利用该理论制备出的等离子体超表面，其光学性质取决于结构所采纳材料的介电性质和系统的几何形状。通过精巧设计，可以自由操控作用光场的幅度，偏振，相位和能量等信息。表面等离极化激元(surface plasmon polaritons)简称SPPs在该体系下无疑具有代表性，它所具备的强局域和高束缚特性，可以在大幅度限制和增强光场的同时极度压缩结构厚度，使其远远小于工作波长，甚至超越衍射极限。这有利于减小光学元件和系统的空间尺寸，进一步实现小型化和集成化。
上世纪末，Ebbesen等人在Nature报道了一项关于通过亚波长孔阵列实现异常透射的开创性研究。该实验通过孔阵列的周期性调制将入射光与金属表面的自由电子相耦合，形成存在于不透明金属膜界面处的SPPs，随后将被激励的SPPs再次转换为出射光子，从而观察到特殊的反射和透射效应。这类结构突破了传统光学薄膜对于光场调控的限制，无需如传统的多层薄膜结构组成的F-P型滤光片要在波长量级的共振腔内控制透射级次，具有低成本，精操控，小型化和易集成的优异特性，特别适合与探测器相集成应用在诸如气体检测，化学生物传感，多光谱成像等工作中。不过，基于SPPs原理设计的滤光片，虽然可以通过结构调制精确控制工作波长，但由于SPPs激励需要金属材料的存在，这无疑会对透射效率带来损失。而表面等离激元滤光片高透射和窄线宽是难以同时兼顾的，较差的带外抑制也使得透射主峰附近常观察到不必要的旁峰。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的之一在于提供一种阵列式窄带滤光片，解决等离激元滤光片高透射和窄线宽难以兼顾和较差带外抑制的问题；
本发明的目的之二在于提供一种阵列式窄带滤光片的制备方法，利用该制备方法制备的滤光片具有低成本，窄线宽，弱旁峰和小型化等优异特性，在生物化学传感、气焰检测、多光谱成像等方面具有极高的应用前景和价值。
为实现上述目的，本发明一方面采用的技术方案是：提供一种阵列式窄带滤光片，包括基底和相互杂化嵌套在基底上的第一光栅和第二光栅，所述第一光栅和第二光栅构成等离激元复合光栅，所述等离激元复合光栅周期为第一光栅和第二光栅的宽度之和；
所述第一光栅沿着基底由下而上依次包括底部金属层、介质层、顶部金属层，所述第二光栅沿着基底由下而上依次包括介质层、顶部金属层。
进一步的，所述第一光栅和第二光栅的介质层、顶部金属层厚度对应相同。
进一步的，所述第一光栅、第二光栅的介质层与基底材料相同，均为二氧化硅，所述第一光栅的底部金属层、顶部金属层以及第二光栅的顶部金属层所用材料均为金。
进一步的，所述第一光栅的宽度为W1,第二光栅的宽度为W2，宽度占比W2/W1的范围为0.6-1.6。
进一步的，所述等离激元复合光栅周期为a，a的取值范围为1.8-2.2μm。
本发明另一方面提供了一种阵列式窄带滤光片的制备方法，包括以下步骤：
S1:利用有限时域差分算法和表面等离激元色散关系确定具有特定工作中心波长的等离激元复合光栅周期，进一步调谐介质层厚度和光栅宽度占比等参数达到所需要的透射率、带宽和旁峰抑制，确定等离激元复合光栅的各个参数；
利用Bragg耦合和表面等离子体波数匹配原理，透射波长计算公式如下：
式中λ为中心工作波长；a为等离激元复合光栅周期；
εm和εd分别是金属和介质材料的介电常数，i为谐波共振级次；
S2:在基底上，采用紫外光刻或激光直写加工工艺，依照指定工作波长、等离激元复合光栅周期a以及第二光栅和第一光栅的宽度占比W2/W1，制备光刻胶掩膜条纹；
S3:首先在光刻胶掩膜条纹上，采用电子束蒸发或磁控溅射镀膜技术，制备间隔分布的第一光栅底部金属层；然后利用剥离技术，在基底上形成金属纳米线；最后再次采用上述镀膜技术，制备第一光栅、第二光栅的介质层和顶部金属层，形成多组等离激元复合光栅；
或：首先采用反应离子束刻蚀技术在基底上刻画合理深度的凹槽图案，采用电子束蒸发或磁控溅射镀膜技术，依次镀第一光栅的底部金属层和介质层；然后采用剥离技术去除掩膜，原凹槽台阶高出部分构成第二光栅介质层，最后再次利用上述镀膜技术，制备第一光栅和第二光栅的顶部金属层，形成多组等离激元复合光栅。
进一步的，所述第一光栅和第二光栅的介质层、顶部金属层厚度对应相同。
进一步的，所述第一光栅、第二光栅的介质层与基底材料相同，均为二氧化硅，所述第一光栅的底部金属层、顶部金属层以及第二光栅的顶部金属层所用材料均为金。
进一步的，其特征在于，所述第一光栅的宽度为W1,第二光栅的宽度为W2，宽度占比W2/W1的范围为0.6-1.6。
进一步的，所述等离激元复合光栅周期为a，a的取值范围为1.8-2.2μm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出的阵列式窄带滤光片，由一系列等间隔的MIM(metal-insulator-metal)光栅和MI(metal-insulator)光栅杂化嵌套而成。表面等离激元光栅对入射光极化方向的敏感性，有利于分离提取光场中的偏振信息。本发明通过光栅的周期调制捕获入射光场进金属膜界面的表面等离激元，随后由被激励的表面等离激化激元反向出射光子，实现极窄异常透射。相对于其他滤光片，具有低成本，窄线宽，弱旁峰和小型化等优异特性，在生物化学传感、气焰检测、多光谱成像等方面具有极高的应用前景和价值。
附图说明
图1为本发明一个实施例的阵列式窄带滤光片的结构示意图；
图2为本发明一个实施例的阵列式窄带滤光片在不同光栅周期及偏振下的二维结构示意图；
图3为本发明另一个实施例的不同介质层厚度对旁峰透射率的影响曲线图；
图4为本发明另一个实施例不同宽度占比对透射率带来的影响曲线图；
图5为本发明另一个实施例不同光栅周期调制得到不同中心波长的透射谱线图。
附图标记：
1、基底；2、底部金属层；3、第一光栅介质层；4、第二光栅介质层；5、第一光栅顶部金属层；6、第二光栅顶部金属层。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”—“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”—“相连”—“连接”—“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
本发明提供了一种阵列式窄带滤光片，包括基底(1)和相互杂化嵌套在基底(1)上的第一光栅和第二光栅，本实施例中第一光栅为MIM光栅，第二光栅为MI光栅，MIM光栅和MI光栅构成等离激元复合光栅，所述等离激元复合光栅周期为第一光栅和第二光栅的宽度之和；所述第一光栅沿着基底(1)由下而上依次包括底部金属层(2)、介质层(3)、顶部金属层(5)，所述第二光栅沿着基底(1)由下而上依次包括介质层(4)、顶部金属层(6)。
两类光栅介质层材料与基底(1)材料相同，金属层材料相同；
每组等离激元复合光栅周期宽度设置为a，MIM光栅和MI光栅的宽度分别设置为W1和W2，有a＝W1+W2；两类光栅顶部金属层和介质层的厚度对应相同，分别由h2和H表示。MIM光栅的底部金属层厚度为h1。
本发明的阵列式窄带滤光片由一系列等间隔的MIM光栅和MI光栅杂化嵌套而成，特定偏振的入射光通过光栅调制耦合进由MIM光栅介质层提供的腔SPP(CSPP)模式(对应波数阈值如公式(1))，随后被激励的腔SPP模式继续驱动由MIM和MI光栅杂化提供的单界面SPP(SSPP)模式(对应波数阈值如公式(2))，最后出射光子形成异常透射现象，完成表面等离激元对光场的捕获和再激发。两种表面等离激元间的杂化耦合，形成fano型共振光谱特性，实现极窄的透射线宽。因材料介电常数对表面等离激元具有调制作用，在近红外窗口，金属层材料优先选为金，基底(1)和介质层材料优先选为二氧化硅。
其中kd＝(kCSPP 2-εdk0 2)1/2，km＝(kCSPP 2-εmk0 2)1/2。kSSPP和kCSPP分别对应SSPP和CSPP的波数阈值，k0＝w/c是入射光的波矢，而εm和εd分别是金属和介质材料的介电常数。
利用Bragg耦合条件和表面等离子体波数匹配原理，设计出通过周期调制实现不同中心工作波长的可调谐滤光片，计算公式如下：
式中λ为中心工作波长，i为Bragg谐波共振级次；
滤光片的透光特性取决于双光栅介质层厚度、宽度占比以及光栅周期。通过调节光栅介质层厚度，可以优化MIM光栅表面等离激元共振腔内的激励模式，增强带外抑制，降低旁峰影响。
根据波导结构导膜谐振理论，MIM光栅激励CSPP需满足如下波数条件:
其中是MIM光栅介质腔内界面两端由谐波传播引起的端面相移，m是谐波共振级次。因此，在光栅周期a确定的情况下，调谐两种光栅的宽度占比W2/W1，等同于改变MIM介质腔的谐振腔长，改变CSPP谐波共振级次。从而，实现SSPP和CSPP间的能量再分配，进一步调制线宽和旁峰。
实施例2：
一种阵列式窄带滤光片的制备方法，利用有限时域差分算法(the finitedifference-time domain，FDTD)和表面等离激元色散关系确定具有特定工作中心波长的等离激元复合光栅周期，进一步调谐介质层厚度和光栅宽度占比等参数达到需要的透射率、带宽和旁峰抑制，确定等离激元复合光栅结构。接下来，利用紫外光刻、激光直写、电子束蒸发或磁控溅射镀膜、掩膜剥离及反应离子束刻蚀等技术，最终完成该滤光片的制备。具体包括以下步骤：
S1、利用有限时域差分算法和表面等离激元色散关系确定具有特定工作中心波长的复合光栅结构周期，进一步调谐介质层厚度和光栅宽度占比等参数达到需要的透射率、带宽和旁峰抑制，确定等离激元复合光栅的各个参数；
利用Bragg耦合和表面等离子体波数匹配原理，透射波长计算公式如下：
式中λ为中心工作波长；a为等离激元复合光栅周期；
εm和εd分别是金属和介质材料的介电常数，i为谐波共振级次；
S2:在基底(1)上，采用紫外光刻或激光直写加工工艺，依照指定工作波长、等离激元复合光栅周期a以及第二光栅和第一光栅的宽度占比W2/W1，制备光刻胶掩膜条纹；
S3:首先在光刻胶掩膜条纹上，采用电子束蒸发或磁控溅射镀膜技术，制备间隔分布的第一光栅底部金属层；然后利用剥离技术，在基底(1)上形成金属纳米线；最后再次采用上述镀膜技术，制备第一光栅、第二光栅的介质层和顶部金属层，形成多组等离激元复合光栅；
根据本发明的一些实施方式，底部金属层和顶部金属层材料优先选为金，基底(1)和介质层材料优先选为二氧化硅。
根据本发明的一些实施方式，MIM光栅和MI光栅的顶部金属层厚度h2＝25nm，MIM光栅底部金属层厚度h1＝50nm。
根据本发明的一些实施方式，当周期a＝2μm，中心波长线宽仅15nm，透射率可达50％，且只需近200nm的结构厚度，大大有利于实现光学器件集成化，其滤光片不同光栅周期及偏振下的二维结构示意图如图2。
通过调节双光栅介质层厚度，可以优化MIM表面等离激元共振腔激励模式，不同厚度介质层对光谱透射率的影响，如图3所示，当不断调节H时，透射峰位置保持不变，但旁峰的强度有效抑制；而且介质层的存在是必要的，一旦将其厚度设置为0，表面等离激元所引起的异常透射现象完全消失，只留下金属材料在近红外波段的光谱特性。
根据本发明的一些实施方式，第一光栅的宽度为W1,第二光栅的宽度为W2，宽度占比W2/W1的范围为0.6-1.6，优先参数为0.67和1.5，当W2/W1＝0.67和1.5时，透射线宽分别为50nm和10nm级，极好消除了旁峰存在，实现能量形式再分配，转化主共振模式，进一步调制线宽和旁峰。如图4。
利用Bragg耦合和表面等离子体波数匹配条件，透过复合光栅周期调制可得到不同中心波长的透射谱线，如图5所示。当周期a从1.8-2.2μm线性调节，透射波长峰值位置维持线性红移，虽然透射率因材料介电性质的影响略有下降，但光谱波形基本一致，均保持理想的极窄线宽。
实施例3：
S1、利用有限时域差分算法和表面等离激元色散关系确定具有特定工作中心波长的复合光栅结构周期，进一步调谐介质层厚度和光栅宽度占比等参数达到需要的透射率、带宽和旁峰抑制，确定等离激元复合光栅的参数；
利用Bragg耦合和表面等离子体波数匹配条件，透射波长计算公式如下：
式中λ为中心工作波长；
εm和εd分别是金属和介质材料的介电常数，i为谐波共振级次；
S2:在基底(1)上，采用紫外光刻或激光直写加工工艺，依照指定工作波长、等离激元复合光栅周期a以及第二光栅和第一光栅的宽度占比W2/W1，制备光刻胶掩膜条纹；
S3:首先采用反应离子束刻蚀技术在基底(1)上刻画合理深度的凹槽图案，采用电子束蒸发或磁控溅射镀膜技术，依次镀第一光栅的底部金属层和介质层；然后采用剥离技术去除掩膜，原凹槽台阶高出部分构成第二光栅介质层，最后再次利用上述镀膜技术，制备第一光栅和第二光栅的顶部金属层，形成多组等离激元复合光栅。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改—等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种阵列式窄带滤光片，其特征在于，包括基底和相互杂化嵌套在基底上的第一光栅和第二光栅，所述第一光栅和第二光栅构成等离激元复合光栅，所述等离激元复合光栅周期为第一光栅和第二光栅的宽度之和；
所述第一光栅沿着基底由下而上依次包括底部金属层、介质层、顶部金属层，所述第二光栅沿着基底由下而上依次包括介质层、顶部金属层。
2.如权利要求1所述的一种阵列式窄带滤光片，其特征在于，所述第一光栅和第二光栅的介质层、顶部金属层厚度对应相同。
3.如权利要求1所述的一种阵列式窄带宽滤光片，其特征在于，所述第一光栅、第二光栅的介质层与基底材料相同，均为二氧化硅，所述第一光栅的底部金属层、顶部金属层以及第二光栅的顶部金属层所用材料均为金。
4.如权利要求1所述的一种阵列式窄带宽滤光片，其特征在于，所述第一光栅的宽度为W1,第二光栅的宽度为W2，宽度占比W2/W1的范围为0.6-1.6。
5.如权利要求1所述的一种阵列式窄带宽滤光片，其特征在于，所述等离激元复合光栅周期为a，a的取值范围为1.8-2.2μm。
6.一种阵列式窄带滤光片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:利用有限时域差分算法和表面等离激元色散关系确定具有特定工作中心波长的等离激元复合光栅周期，进一步调谐介质层厚度和光栅宽度占比等参数达到所需要的透射率、带宽和旁峰抑制，确定等离激元复合光栅的各个参数；
利用Bragg耦合和表面等离子体波数匹配原理，透射波长计算公式如下：
式中λ为中心工作波长；a为等离激元复合光栅周期；εm和εd分别是金属和介质材料的介电常数，i为谐波共振级次；
S2:在基底上，采用紫外光刻或激光直写加工工艺，依照指定工作波长、等离激元复合光栅周期a以及第二光栅和第一光栅的宽度占比W2/W1，制备光刻胶掩膜条纹；
S3:首先在光刻胶掩膜条纹上，采用电子束蒸发或磁控溅射镀膜技术，制备间隔分布的第一光栅底部金属层；然后利用剥离技术，在基底上形成金属纳米线；最后再次采用上述镀膜技术，制备第一光栅、第二光栅的介质层和顶部金属层，形成多组等离激元复合光栅；
或：首先采用反应离子束刻蚀技术在基底上刻画合理深度的凹槽图案，采用电子束蒸发或磁控溅射镀膜技术，依次镀第一光栅的底部金属层和介质层；然后采用剥离技术去除掩膜，原凹槽台阶高出部分构成第二光栅介质层，最后再次利用上述镀膜技术，制备第一光栅和第二光栅的顶部金属层，形成多组等离激元复合光栅。
7.如权利要求6所述的一种阵列式窄带滤光片的制备方法，其特征在于，所述第一光栅和第二光栅的介质层、顶部金属层厚度对应相同。
8.如权利要求6所述的一种阵列式窄带宽滤光片的制备方法，其特征在于，所述第一光栅、第二光栅的介质层与基底材料相同，均为二氧化硅，所述第一光栅的底部金属层、顶部金属层以及第二光栅的顶部金属层所用材料均为金。
9.如权利要求6所述的一种阵列式窄带宽滤光片的制备方法，其特征在于，其特征在于，所述第一光栅的宽度为W1,第二光栅的宽度为W2，宽度占比W2/W1的范围为0.6-1.6。
10.如权利要求6所述的一种阵列式窄带宽滤光片的制备方法，其特征在于，所述等离激元复合光栅周期为a，a的取值范围为1.8-2.2μm。
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