CN110412672A - 一种可见光和近红外波段的全介质角度不敏感超表面透射型长波通光学滤波器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种可见光和近红外波段的全介质角度不敏感超表面透射型长波通光学滤波器及其制备方法，属于光学技术领域，本发明在长波波段具有高透射率，在短波波段透射被高度抑制，通过Si层和MgF2层纳米柱阵列中耦合的米氏共振效应产生强反射和吸收，通过双光束干涉紫外曝光光刻和真空磁控溅射沉积镀膜，该滤波器在大入射角下依然有非常高的工作效率，其具有角度不敏感、制作容易，面积大，效率高的优点，在液晶显示器，光通信，传感器检测和成像等方面具有重要的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及一种光学滤波器及制备方法，具体的说是涉及一种可见光和近红外波段的全介质角度不敏感超表面透射型长波通光学滤波器及其制备方法。
背景技术
光学截止滤波器(滤光片)是一种光学器件，其从复合光中滤除长波或短波的光，同时仅保留所需波长范围的光，广泛用于液晶显示器，光通信，传感器检测和成像等技术。光学截止滤波器分为长波通，短波通和带通滤波器，其性能取决于其截止效率，可通过消光比、消光差和截止斜率定义。截止波长(CW)是截止滤波器的另一个重要参数，其被定义为传输是最大传输的一半的波长。根据工作原理，传统的截止滤波器可分为吸收型滤波器和干涉型滤波器。吸收滤光片吸收选择性波长的入射光，以基于材料的固有吸收实现截止滤波的效果，例如化学染料滤光片和有色玻璃等等。然而，化学滤光片的制造过程会造成严重的环境污染，并且不能承受长期的强光照射。此外，其截止性能受到材料的自然特性的限制，导致其通带无法选择以及截止斜率较低。干涉型滤光片作为化学染料滤光片的替代品，基于多光束干涉效应调制入射光，从而实现滤光效果，其中最常用的是由高折射率和低折射率介质薄膜叠层组成的滤光片。然而，由于多光束干涉效应，光束之间的光程差在不同的入射角下不再是恒定的，干涉滤光器的CW对入射角非常的敏感。
近年来，受益于微纳米科学技术的进步，基于亚波长结构的等离子截止滤波器得到了极大的发展。Qin等人介绍了三种反射式颜色滤光片，它们基于表面等离子共振，由玻璃铝膜中的亚波长三角形晶格孔阵列组成。正入射时三种滤波器在红色，绿色和蓝色光波段的透过率大约为0.3，其对应的参数为ER约10.79dB，ED约0.275，CS约0.003nm-1。Khoshdel等人提出了一种基于周期性的等离子十字纳米天线阵列的紫外和红外截止滤波器。他们提出的纳米天线阵列可以分别阻止79.6%和65.2%的紫外和红外透过率，其中参数为ER约4.94dB和12.04dB，ED约0.53和0.75C，S约0.004nm-1和0.002nm-1分别为。Zhu等人还研究了滤波器性能的角度敏感性，他们提出了一种基于双层(Si和Au)光栅的低通太赫兹滤波器，它在较低频率的通带上表现出低损耗响应而在高频阻带上展现了的尖锐抑制特性，ER约为6.5 dB，ED约为0.66，CS约为1.8×10-6nm-1。该滤波器在入射角低于15°的情况下工作良好，但当入射角达到30°时，其在通带的透过率减少到正入射时的一半。可以看出，这些基于等离子共振的截止滤波器由于不可避免的金属损耗而存在着低效率的问题。另外，由于表面等离子共振的内在特性，这些滤波器无法在大入射角下工作，这极大地限制了它们的应用。
目前，全介质截止滤波器已经受到越来越多的关注。Cheong等人提出了一种基于二维亚波长光栅的反射型带通滤波器。光栅滤波器在520nm的中心波长附近的光谱宽度约为80nm，反射率约为0.6，且其在阻带波段的反射率约为0.05。其具体参数为，ER约10.79dB，ED约0.55，CS约0.022nm-1。当入射角增加到30°时，通带中的反射率减小到大约只有0.5，而阻带中的反射增加到超过0.1。Butt等人展示了一种基于二维金涂层硅纳米柱阵列的超材料滤波器，其性能为ER约6.99dB，ED约0.8，CS约0.004nm-1，CW约950nm。然而，该滤波器对入射角的性能非常敏感，特别是当入射角增大时，CW蓝移至约650nm。李等人还提出了一种基于一维光子晶体的反射型长波通滤波器。垂直入射时ER约为12.04dB，但当入射角增加到60°时，CW存在约30nm的蓝移，且ER降低到约3.01 dB。尽管这些滤波器由于其较小的欧姆损耗而比等离子体滤波器具有更高的效率，但是这些器件的性能仍然受限于其效率的入射角敏感性，特别是其ER和CW由于其固有的工作机制而对入射角非常敏感。
发明内容
本发明的目的是针对现有长波通滤波器性能受限于入射角敏感性的不足，提出可见光和近红外波段的全介质角度不敏感超表面透射型长波通光学滤波器，通过硅纳米柱阵列中耦合的米氏共振效应产生的强反射和吸收使滤波器在大入射角下依然有非常高的工作效率，该滤波器在长波波段具有高透射率，在短波波段透射被高度抑制，其制作容易、面积大、效率高，在液晶显示器、光通信、传感器检测和成像等方面具有重要的应用前景。
本发明的技术方案是：一种可见光和近红外波段的全介质角度不敏感超表面透射型长波通光学滤波器，包括二氧化硅基板；其特征在于：所述二氧化硅基板上设有光刻胶层，所述光刻胶层顶部设置呈大圆孔阵列和小圆柱阵列结构，所述大圆孔的直径和高度分别为d 1和h 1，小圆柱的直径和高度分别为d 2和h 2，所述大圆孔阵列和小圆柱阵列的周期均为p，在所述光刻胶层上依次沉积高度为h 1的Si层和MgF2层以形成长波通光学滤波器。
所述大圆孔的直径d 1=158±20nm、高度h 1=123±15nm；小圆柱的d 2=102±12nm、高度h 2=30±5nm；阵列周期p=250±20nm。
一种可见光和近红外波段的全介质角度不敏感超表面透射型长波通光学滤波器的制备方法，其特征在于，方法如下：
(1)通过在丙酮中超声清洗制备二氧化硅基板；
(2)将约150nm至250nm的光刻胶层旋涂到基板上；
(3)利用一步式双光束干涉紫外曝光光刻法在光刻胶层上成型具有纳米的大圆孔和小圆柱阵列结构；
(4)进行优化的曝光和显影过程，其中进行两次样品旋转90°的曝光；
(5)通过连续离子真空磁控溅射沉积Si和MgF2涂层。
本发明的有益效果为：本发明提供的一种可见光和近红外波段的全介质角度不敏感超表面透射型长波通光学滤波器及其制备方法，该滤波器在长波波段具有高透射率，在短波波段透射被高度抑制，通过Si层和MgF2层纳米柱阵列中耦合的米氏共振效应产生强反射和吸收，通过双光束干涉紫外曝光光刻和真空磁控溅射沉积镀膜，该滤波器在大入射角下依然有非常高的工作效率，其具有角度不敏感、制作容易，面积大，效率高的优点，在液晶显示器，光通信，传感器检测和成像等方面具有重要的应用前景。
附图说明
图1 为本发明滤波器分层结构示意图。
图2 为本发明滤波器在400nm～1000nm范围内不同入射角下透过率光谱的模拟仿真结果示意图。
图3 为本发明结构优化演变过程示意图。
图4 为本发明滤波器优化结果性能及不同切割电场侧视图。
图5 为本发明滤波器工艺流程示意图。
图6 为本发明滤波器不同入射角下测量的透射光谱图。
图7 为本发明在不同入射角的阳光环境中对样品进行摄影的视觉效果图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，一种可见光和近红外波段的全介质角度不敏感超表面透射型长波通光学滤波器，图1(a)和图1(b)中，在二氧化硅基板上设置光刻胶(PMMA)，在光刻胶顶部设置大圆孔阵列和小圆柱阵列，大圆孔和小圆柱的直径和高度分别为d 1，d 2，h 1和h 2，阵列的周期为p。然后将具有相同高度h 1的Si层和MgF2层依次沉积在整个结构上。使用有限差分时域方法计算和优化所提出的滤波器的传输性能。将参数优化为d 1=158nm，d 2=102nm，h 1=123nm，h 2=30nm和p=250nm。如图2所示，为不同入射角下的理论透射光谱。当透过率在短于658nm(阻带)的波长处从小于0.01迅速增加到在长于699nm(通带)的波长处的超过0.9。当入射角增加到60°时，阻带中的透过率几乎没有变化，并且在通带中传输超过0.8。在不同的入射角下的CW固定在672nm，证明当入射角改变时CW没有偏移。
如图1所示，一种可见光和近红外波段的全介质角度不敏感超表面透射型长波通光学滤波器，制备时，首先将光刻胶层制造成纳米孔和纳米柱阵列，然后连续沉积Si和MgF2层。MgF2层用于增强通带中的透过率，而在抑制阻带中的透射中不起作用，因为MgF2层近似透明，在工作波长处具有非常低的吸收；Si层则具有高折射率，这对于激发米氏共振至关重要。
如图3所示，各种Si不同结构的传输特性。图3(a)是仅直接在二氧化硅基板上均匀设置123nm Si涂层的模拟透射光谱(实心三角)，由于Si层的光学干涉，透射表现出振荡行为，且Si层的固有光吸收是平坦的且比较低，而这不能产生有效的阻带。如图3(b)所示，在二氧化硅基板上的光刻胶中嵌入123nm高和158nm直径的Si柱阵列，Si柱阵列的模拟光谱，短于650nm的波长的透射被显着抑制。波长500nm至650nm之间的较低透射率是由于高反射(实心方框)造成的，而低于500nm波长的较低透射率主要来自Si纳米柱结构米氏共振引起的高吸收(实心圆)。通过在图3(b)中光胶刻层上覆盖Si膜，可以进一步降低短波长范围(＜650nm)的透过率。如图3(c)所示，是3(b)中的光胶刻层被123nm厚的Si膜覆盖，反射(实心方框)和吸收(实心圆)都在短于650nm的波长中增强，因为添加的Si膜进一步阻挡了直接光透射。虽然结构在＜650nm的波段中的透射被极大地抑制，但是如图3(c)中所示，在透射中仍然存在一定的残留。图3(d)所示，在3(c)的结构上添加另一套Si纳米柱，显示了结构的透射，反射和吸收。可以看出，在短波长范围内的反射和吸收都得到进一步增强，这导致在短波波段内透射的完全抑制陡以及峭的截止效应。
如图4(a)所示，本发明滤波器的优化结果的性能，其中MgF2层最终沉积在图3(d)所示的整个结构上，以增强通带中的透射率(＞700纳米波段)。通带中的透过率高于图3(d)中的透过率，这是因为结构上覆盖的MgF2层显著降低了空气和Si层界面之间的反射。图4(b)和图4(c)分别显示了在y=0和y=125nm处(如图1(a)所示)切割的滤波器中的电场的侧视图，波长为520nm(在阻带中，在图4(a)中用空心三角标记)，其中吸收为0.968。很明显，电场强烈地限制在Si柱上，显示出明显的激发出的米氏共振特性，入射光均被Si柱吸收，并且很少的光可以透射出的结构。图4(d)和图4(e)显示了所提出滤波器中的电场的侧视图，该滤波器在波长580nm处沿y=0和y=125nm切割(在图4(a)中用空心圆圈标记)，其中反射为0.807。可以看出，大部分光被反射回空气中，并且剩余的光被Si柱吸收，这导致接近零的透射。图4(f)显示了所提出的滤波器中的电场的侧视图，该滤波器在波长520nm处沿y=0切割，具有30°的倾斜入射角，其显示出与正入射下非常相似的共振特性(如图4(b)所示)。这是因为米氏共振对散射物体的尺寸敏感，但对入射角不敏感，这是在倾斜入射下CW的角度不敏感的内在机制，如图2所示。
如图5(a)所示，为本滤波器的制造工艺图；图5(b)光刻胶层结构的SEM照片；图5(c)为本发明滤波器不同入射角下测量的透射光谱图；图5(d)是不同入射角的阳光环境中对样品进行摄影的视觉效果图。如图5(a)所示，通过在丙酮中超声清洗制备二氧化硅基板，并将约190nm的PMMA层旋涂到基板上；利用双光束干涉光刻技术将PMMA成形为所需的轮廓，并进行优化的曝光和显影过程，其中进行两次样品旋转90°的曝光；通过连续离子溅射沉积Si和MgF2涂层。如图5(b)显示了通过扫描电子显微镜(SEM)制造的光刻胶层结构的图片，底部的大圆孔和顶部的小柱的直径分别为158±16nm和102±11nm(非常接近分别为158nm和102nm的设计值)。利用在整个波段工作的超连续激光器(Fianium，SC450)和探测器(Thorlabs，PAX5710IR1-T)，检测制造的滤波器在波长从400nm至1000nm的透过率T，扫描步长为1 nm。图5(c)显示了滤波器的测量透射光谱，在垂直入射下，透射率从小于0.02(在629nm的波长处)迅速增加到超过0.9(在波长696nm处)。当入射角增加到60°时，阻带中的透射几乎不变，并且在通带中超过0.75。特别是，在0°、15˚、30˚、45˚和60˚的不同入射角下的CW都固定在668nm，这与图2中的模拟结果非常吻合。图5(d)中的照片是当制造的样品处于具有不同入射角的阳光环境中时的视觉性能。本发明所在的样品的中心可以观察到“暗区”，从视觉上可以看出，当旋转样品时，太阳光斑的颜色与亮度几乎没有变化，这说明本发明是宽角度不敏感的。
Claims (4)
1.一种可见光和近红外波段的全介质角度不敏感超表面透射型长波通光学滤波器，包括二氧化硅基板；其特征在于：所述二氧化硅基板上设有光刻胶层，所述光刻胶层顶部设置呈大圆孔阵列和小圆柱阵列结构，所述大圆孔的直径和高度分别为d 1和h 1，小圆柱的直径和高度分别为d 2和h 2，所述大圆孔阵列和小圆柱阵列的周期均为p，在所述光刻胶层上依次沉积高度为h 1的Si层和MgF2层以形成长波通光学滤波器。
2.根据权利要求1所述的一种可见光和近红外波段的全介质角度不敏感超表面透射型长波通光学滤波器，其特征在于：所述大圆孔的直径d 1=158±20nm、高度h 1=123±15nm；小圆柱的d 2=102±12nm、高度h 2=30±5nm。
3.根据权利要求1所述的一种可见光和近红外波段的全介质角度不敏感超表面透射型长波通光学滤波器，其特征在于：所述大圆孔阵列和小圆柱阵列的阵列周期p=250±20nm。
4.一种可见光和近红外波段的全介质角度不敏感超表面透射型长波通光学滤波器的制备方法，其特征在于，制备权利要求1-3任一项所述的可见光和近红外波段的全介质角度不敏感超表面透射型长波通光学滤波器，方法如下：
(1)通过在丙酮中超声清洗制备二氧化硅基板；
(2)将150nm至250nm的光刻胶层旋涂到基板上；
(3)利用一步式双光束干涉紫外曝光光刻法在光刻胶层上成型具有纳米的大圆孔和小圆柱阵列结构；
(4)进行优化的曝光和显影过程，其中进行两次样品旋转90°的曝光；
(5)通过连续离子真空磁控溅射沉积Si和MgF2涂层。
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