CN110333566A

CN110333566A - 一种全介质滤波器

Info

Publication number: CN110333566A
Application number: CN201910627880.8A
Authority: CN
Inventors: 钱沁宇; 王钦华
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2019-07-12
Filing date: 2019-07-12
Publication date: 2019-10-15

Abstract

本发明公开了一种全介质滤波器，所述全介质滤波器包括衬底、第一介质层和第二介质层，所述第一介质层具有线栅结构，所述第一介质层设置在所述衬底上；所述第二介质层设置在所述第一介质层上；所述第二介质层的折射率高于所述第一介质层的折射率。本发明实施例的滤波器利用高、低两种折射率不同的第一介质层和第二介质层，实现在TM光波入射下大大减小透过率，以保证只有正入射的光能透过角度滤波器。实验结果展示了高效的滤波性能。本发明实施例的滤波器在定向照明和图像整形方面有着重要的应用前景。

Description

一种全介质滤波器

技术领域

本发明涉及光学器件，特别涉及一种全介质滤波器。

背景技术

目前，几乎所有的角度滤波器都是基于零折射材料(Zero Index Material)设计和制备的。其原理是，在两种不同材料的交界面上，波矢必然是连续的。当其中一种材料折射率为0，在其内部传播光束的波矢长度也就为0。这样，在这两种材料的交界面处，另一种材料内的波矢长度也必须是0，才能满足波矢匹配条件。此时，如果材料的折射率不为0，那么只有传播方向垂直于界面的光波矢才为0，这样就只有垂直出射的光才能透过，也就实现了角度滤波。由于材料的折射率(其中ε是介电常数，μ是磁导率)，只要介电常数和磁导率中任意一个的数值为0而另一个的数值为有限值，材料的折射率就是0。通常，材料的等效介电常数比较容易通过结构操控，所以通常通过设计结构使材料的等效折射率为0从而实现等效零折射率，因此这类材料通常也被称作介电常数近零(Epsilon Near Zero)材料。最常见的介电常数近零材料是等离子金属制成的纳米线(Nanowire)和金属/介质多层结构(Multilayer)超材料[8-14]，其近零介电常数主要来自于多层结构和纳米线结构中耦合了的等离子共振。例如Alekseyev等人提出的在阳极氧化铝膜上生长的银纳米线阵列，实现了在波长600nm光p波(偏振方向在入射面内)的角度滤波功能，当入射角增加到20°时透过率接近0。但是，这种角度滤波器在正入射下透过率非常低，透过率仅有0.12。这其实是近零介电常数材料角度滤波器的通病，因为它们的结构中必须加入金属，而金属的欧姆损耗大大降低了角度滤波器的效率[10-14]。此外近零介电常数材料的磁导率往往是有限值，而其等效阻抗所以其等效阻抗趋近于无穷大，与周围环境(通常是空气，阻抗为1)严重失配，使得透过率大大降低。

为了克服近零介电常数材料角度滤波器低效率的缺点，，目前有使用被称作双零材料(Double Zero Material)。这种具有类狄拉克锥的光子晶体通常不包含金属，所以也避免了金属的欧姆损耗。其可以过滤出选定角度的s波(偏振方向垂直于入射面)入射，入射光在指定角度的透过率接近1，当角度变化达到2°时透过率降为0。然而，这种二维光子晶体需要入射光从侧边入射，其结构尺寸和工作波长在同一长度量级，这在实验上是很难实现的，尤其是在可见光到近红外波段。目前这种双零材料在近红外波段工作，当入射角在30°以内时，透过率接近1，而当入射角大于30°时，透过率迅速降到0。但是，这种多层结构的高度高达3μm，而每条纳米棒的宽度仅仅只有0.26μm，如此高深宽比(高/宽)的刻蚀给实验制备带来了极大的困难，不利于大面积制备。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种全介质滤波器。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供了一种全介质滤波器，所述全介质滤波器包括衬底、第一介质层和第二介质层，所述第一介质层具有线栅结构，所述第一介质层设置在所述衬底上；所述第二介质层设置在所述第一介质层上；所述第二介质层的折射率高于所述第一介质层的折射率。

进一步地，所述第一介质层的材料为透光材料。

更进一步地，所述第一介质层的材料为聚甲基丙烯酸甲酯、二氧化硅(即SiO₂)、三氧化铝(即Al₂O₃)中的至少一种。

进一步地，所述第二介质层的材质为硅、氮化镓、砷化镓或二氧化钛。

进一步地，所述衬底的材质为ZnSe、SiO₂、Y₂O₃、液晶、ZnS或Ge。

进一步地，所述第一介质层的线宽大于等于151nm±10nm，所述第一介质层的周期大于等于250nm±20nm，所述第一介质层的高度小于等于108nm±8nm，所述第二介质层的高度大于等于62nm±5nm。

进一步地，所述第二介质层通过磁控溅射镀膜的方式设置在所述第一介质层上。

进一步地，所述线栅结构为一维线栅结构。

进一步地，所述线栅结构通过紫外全息光刻形成。

进一步地，所述滤波器的工作波长可以通过改变尺寸参数、更换材料的方式调节。

本发明实施例提供了一种全介质滤波器，滤波器利用高、低两种折射率不同的第一介质层和第二介质层，实现在TM光斜入射下大大减小透过率，以保证只有正入射的光能透过角度滤波器。实验结果展示了高效的滤波性能。本发明实施例的滤波器在定向照明和图像整形方面有着重要的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例中全介质滤波器一个可选的局部结构示意图；

图2为本发明实施例的滤波器在不同入射角下的透过率光谱模拟曲线。

图3为本发明实施例中滤波器制作过程的流程图；

图4为本发明实施例中滤波器的局部结构的扫描电子显微镜照片；

图5为具有不同线宽的滤波性能，其中，横坐标为入射角度(Incident Angle)，纵坐标为透射率(Transmission)；

图6为具有不同周期的滤波性能，其中，横坐标为入射角度(Incident Angle)，纵坐标为透射率(Transmission)；

图7为具有不同第一介质层高度的滤波性能，其中，横坐标为入射角度(IncidentAngle)，纵坐标为透射率(Transmission)；

图8为具有不同第二介质层高度的滤波性能，其中，横坐标为入射角度(IncidentAngle)，纵坐标为透射率(Transmission)；

图9为在不同入射角下测量本发明实施例中滤光器的光路示意图；

图10为在633nm波长下的本发明实施例的滤波器实验结果和数值模拟的比较，其中，横坐标为入射角度(Incident Angle)，纵坐标为透射率(Transmission)；

图11为测量发散光通过本发明实施例的滤波器后的发散角的实验装置示意图；

图12为使用红外CCD相机拍摄距本发明实施例的滤波器的不同距离处透射光照片，其中，仅示出其中6张；

图13为不同位置处对红外CCD相机拍摄的所有照片的线性拟合，其中线的斜率表示入射光在通过全介质超薄超表面角度滤波器之后光束的发散角。

附图标记：滤波器100；衬底10；第一介质层20；第二介质层30；激探测器200；偏振片300；半波片400；显微镜700；CCD相机800。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，如有术语“上”、“下”、等指示的方位或者位置关系为基于附图1所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明实施例提供了一种全介质滤波器，全介质滤波器100包括衬底10、第一介质层20和第二介质层30，第一介质层20具有线栅结构，第一介质层20设置在衬底10上；第二介质层30设置在第一介质层20上；第二介质层30的折射率高于第一介质层20的折射率。

本发明实施例的滤波器通过在衬底上设置第一介质层20和第二介质层30，且第一介质层20具有较低的折射率，第二介质层30具有相对第一介质层20的较高的折射率，实现了在TM光波入射下大大减小透过率，保证了只有正入射的光能透过角度滤波器100。具体地，本发明实施例的滤波器100正入射的透过率可高达0.929(数值模拟结果为0.936)，而一束发散光经过该角度滤波器后的透射光束发散角仅为7.76°。

本发明实施例的全介质滤波器能够克服近零介电常数材料角度滤波器低效率的缺点，与近零介电常数材料或双零材料不同，本发明实施例提出的滤波器没有展现出任何零折射率材料的性质。

如图3所示，本发明实施例的全介质滤波器可以通过以下方法制备，可以理解的是，本发明实施例的全介质滤波器的制备过程并不限于以下过程。首先将一定厚度，例如约150nm厚的第一介质层设置在在衬底上(如图3a至图3b)，具体可以通过旋涂等涂敷方式。接着，通过紫外全息光刻，具体采用双光束干涉光刻在第一介质层上形成线栅结构，优选地，塑性成一维线栅。例如光栅深度为约108nm(如图3c)。最后，通过磁控溅射镀膜沉积在第一介质层上沉积一定厚度的第二介质层，例如沉积约62nm厚的第二介质层(如图3d)。所得滤波器的局部结构的扫描电子显微镜照片如图4所示。

本发明实施例的滤波器制备方法简单，容易大面积制备，在定向照明和图像整形方面有着重要的应用前景。

非限制地，如图1所示，图1中黑色实心箭头指光入射方向。低折射率的第一介质层20位于衬底10上，高度用h₁表示，线宽用a表示，周期用p表示。在其上涂覆高度为h₂的高折射率的第二介质层30。光从衬底10侧入射，电场分量沿X轴入射，入射表面是Y-Z平面。

在本发明一些实施例中，第一介质层的材料选用透光材料，优选地，第一介质层的材料为聚甲基丙烯酸甲酯、二氧化硅、三氧化二铝中的至少一种。可以理解的是，第一介质层的材料还可以选用其他玻璃等低折射率透明材料。其中，聚甲基丙烯酸甲酯亦指poly(methyl methacrylate，缩写为PPMA，进一步优选地，第二介质层的材质为硅、氮化镓、砷化镓或二氧化钛。

在本发明其他一些实施例中，衬底的材质为ZnSe、SiO₂、Y₂O₃、液晶、ZnS或Ge。

在本发明优选地一些实施例中，第一介质层的线宽a的最低临界值为151nm±10nm，即第一介质层的线宽a大于等于151nm±10nm。第一介质层的周期p的最低临界值为250nm±20nm，即第一介质层的周期p大于等于250nm±20nm。第一介质层的高度h₁的最高临界值为108nm±8nm，即第一介质层的高度h₁小于等于108nm±8nm。第二介质层的高度h₂最低临界值为62nm±5nm，即第二介质层的高度h₂大于等于62nm±5nm。

具体地，如图5至图8所示，当线宽大于151nm时，截止角(即透射率小于0.01的入射角)随着a的增加而增加，其中a分别为151nm，156nm，161nm和166nm时截止角分别为12°，14°，16°和19°。当a小于151nm时，已经完全观察不到角度滤波性能，这其中入射角超过42°时没有透射是由于全反射引起的。还可以发现，角度滤波性能随着尺寸参数(a，p，h₁或h₂)增加/减少到某些临界值而优化到最佳，并且如果参数继续越过临界值，则角度滤波性能减弱甚至不能再被观察到了。模拟结果表明，a，p，h₁和h₂的临界值分别为151nm，250nm，108nm和62nm。由以上优选参数可知，本发明实施例的滤波器具有超薄超表面。下面以SiO₂为衬底，聚甲基丙烯酸甲酯为第一介质层，硅为第二介质层，对本发明实施例的全介质滤波器的性能进行测试。需要说明的是，衬底、第一介质层和第二介质层更换为其他材质时，以及参数a、p、h₁、h₂、检测波长更换为其他具体参数时，本发明实施例的滤波器仍能够获得上述高效的滤波性能。

需要说明的是，本发明部分实施例中滤波器的工作波长(亦指检测波长)可以通过改变尺寸参数、更换材料的方式调节。具体地，当线栅的线宽a增加时其工作波长增加，但其正入射时的透过率下降。当线栅周期p增加时其工作波长增加，而正入射时的透过率也明显提升。当h₁增加时其工作波长增加，正入射时的透过率也略有提升。当h₂增加时其工作波长没有明显变化，而正入射时的透过率则有一定提升。所以可以根据实际需要，通过调整尺寸参数的方式微调其工作波长。而如果须要大范围调节工作波长，则可以通过改变滤波器的材料的方式来实现。

如图2所示，图2显示了本发明实施例的滤波器在不同入射角下的透射率模拟曲线，该时间域方法的有限差分结构参数为h₁＝108nm，h₂＝62nm，a＝151nm，p＝250nm。从图2可以看出，正入射的透过率为0.936，并且在入射角为7°和12°时减小到0.140和0.006。

利用图9示意的装置测量了本发明实施例的全介质超表面角度滤波器在不同入射角下的透过率。其中500指光路，600指检测器。超连续激光探测器200用于检测波长为633nm入射光的透过率。偏振片用于确保入射光是线性偏振光，半波片用于调整入射光的偏振方向(即电场分量的方向)，使偏振方向垂直于光栅方向。图10展示了实验结果与理论结果的对比。其中实验结果显示，在正入射时透射率高达0.929，当入射角增加到8°和13°时，透射率降低到仅0.198和0.003，这与模拟结果非常吻合。

为了进一步证明所提出的全介质超表面角度滤波器的性能，使用图11所示的实验装置测量发散光通过全介质超表面角度滤波器100后的发散角。首先，偏振器300和半波片400用于调节入射光的偏振方向。光束通过显微镜700物镜发散，然后通过角度滤波器。CCD相机用于记录不同位置的光斑强度。

在实验中，本发明实施例使用红外CCD相机800拍摄距样品的不同距离处透射光照片，并获得一系列照片(例如20张照片)，其中六张如图12b至12g所示)。其中，当拍摄第一张照片时，相机800尽可能靠近样品放置，并且距离逐渐增加0.5毫米的步长。为了定量计算通过全介质超表面角度滤波器的光束的发散角。首先对所有照片进行灰度处理，然后使用MATLAB进行数据提取，以便获得定量透射光斑强度分布。照片中每个像素的灰度值表示读取照片时位置处的光强度。利用从照片中读取的数据的高斯拟合来获得光斑强度分布的解析表达式。拟合形式如下：

其中，I是光强度(照片的灰度值)，x是可以从照片中获得的x坐标，A，B和C是要拟合的参数，其中A是最大灰度在照片中，B是灰度值最大点的x坐标，C与y方向上的点的半宽度r有关，满足：

其中，半宽度r定义为灰度值最大的位置与灰度值为最大值1/e²位置之间的距离。然后将每张照片的r线性拟合，得到：

r＝ad+b (3)

其中d是CCD相机和样品之间的距离，a和b是待拟合的参数。透射光束的发散角是：

θ＝arctana (4)

图13是在不同位置处对所有照片的线性拟合，其中线的斜率表示入射光在通过全介质超薄超表面角度滤波器之后光束的发散角。拟合结果为a＝0.1362，并且通过代入式(4)获得的透射光束的发散角为7.76°，这与先前透射率测量的结果一致(如图10所示)。

根据本发明实施例的滤波器其他结构和操作对于本领域技术人员而言都是可以理解并且容易实现的，因此不再详细描述。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims

1.一种全介质滤波器，其特征在于，所述全介质滤波器包括衬底、第一介质层和第二介质层，所述第一介质层具有线栅结构，所述第一介质层设置在所述衬底上；所述第二介质层设置在所述第一介质层上；所述第二介质层的折射率高于所述第一介质层的折射率。

2.根据权利要求1所述的全介质滤波器，其特征在于，所述第一介质层的材料为透光材料。

3.根据权利要求2所述的全介质滤波器，其特征在于，所述第一介质层的材料为聚甲基丙烯酸甲酯、二氧化硅、三氧化二铝中的至少一种。

4.根据权利要求3所述的全介质滤波器，其特征在于，所述第二介质层的材质为硅、氮化镓、砷化镓或二氧化钛。

5.根据权利要求1所述的全介质滤波器，其特征在于，所述衬底的材质为ZnSe、SiO₂、Y₂O₃、液晶、ZnS或Ge。

6.根据权利要求1所述的全介质滤波器，其特征在于，所述第一介质层的线宽大于等于151nm±10nm，所述第一介质层的周期大于等于250nm±20nm，所述第一介质层的高度小于等于108nm±8nm，所述第二介质层的高度大于等于62nm±5nm。

7.根据权利要求1所述的全介质滤波器，其特征在于，所述第二介质层通过磁控溅射镀膜的方式设置在所述第一介质层上。

8.根据权利要求1所述的全介质滤波器，其特征在于，所述线栅结构为一维线栅结构。

9.根据权利要求1或8所述的全介质滤波器，其特征在于，所述线栅结构通过紫外全息光刻形成。

10.根据权利要求1所述的全介质滤波器，其特征在于，所述滤波器的工作波长可以通过改变尺寸参数、更换材料的方式调节。