CN110426784B - 一种基于微纳光栅阵列及微纳f-p腔结构的双波长滤波器件 - Google Patents

一种基于微纳光栅阵列及微纳f-p腔结构的双波长滤波器件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于微纳光栅阵列及微纳F‑P腔结构的双波长滤波器件，包括底层衬底、微纳F‑P腔、中间衔接层及光栅阵列。基于F‑P腔的波长选择原理可设计具有滤波作用的微纳F‑P腔结构；基于光栅的色散效应可以设计具备特定衍射角的波长。微纳F‑P腔结构工作在白光波段下，具有极窄的光谱响应和波长选择性，叠加光栅阵列，可实现双波长的滤波功能。这种叠层超表面具备超微的尺寸参数，可广泛的应用于信息加密、全息显示等领域，并且加工简单、设计灵活、结构紧凑。

Description

一种基于微纳光栅阵列及微纳F-P腔结构的双波长滤波器件
技术领域
本发明涉及偏振光学和微纳光学领域，尤其涉及一种基于微纳光栅阵列及微纳F-P腔结构构造的叠层超表面，用作滤波器件。
背景技术
超表面材料是一种二维的光学材料，其尺度为亚波长量级，可以对电磁场的多项物理特性进行精密调控，如振幅、相位、偏振态等，所以多应用于平面光学器件的设计中。目前，传统光学滤波片存在如下问题：(1)制作工艺复杂；(2)所制作的光学滤波片滤过波长单一，且其滤过波段带宽不够窄。滤光片在应用光学领域存在着巨大的应用前景，但上述问题限制了其发展，因此亟待技术的更新。
发明内容
本发明的目的是提供一种用作双波长滤波器件的叠层超表面，包含微纳光栅阵列及F-P腔两种微纳结构，这种叠层超表面的单元结构可针对多个工作波长设计，具有良好的窄带响应，具体方案如下：
一种基于微纳光栅阵列及微纳F-P腔结构的双波长滤波器件，其整体结构由两部分构成：一部分为上层微纳光栅阵列，用来使入射光发生色散，作为色散层；另一部分为下层微纳F-P结构，对被色散后的入射光进行双波长滤波，滤过的波长具有窄带的光谱响应。所述F-P腔置于底层衬底上，通过中间衔接层与光栅阵列相衔接，所述滤波器件的单元结构由下往上包括：底层衬底、F-P腔下银层、F-P腔介质层、F-P腔上银层、中间衔接层、光栅阵列，此处微纳尺度是指纳米及微米量级。
优选地，所述底层衬底、F-P腔介质层及中间衔接层采用氟化镁材料，所述光栅阵列采用熔融石英材料，所述F-P腔上银层和F-P腔下银层采用金属银。
优选地，所述光栅阵列由多个电介质光栅构成长方体形，所述光栅阵列的单元周期结构横截面为长方形，且其长宽高均为亚波长量级。
优选地，所述F-P腔下银层和F-P腔上银层厚度相同，且所述F-P腔下银层、F-P腔上银层及F-P腔介质层的厚度均为亚波长量级。
本发明还提供一种调节滤过光波长的方法，采用上述的双波长滤波器件，调节所述双波长滤波器件的光栅阵列单元周期结构的尺寸以及F-P腔各层结构的厚度来调节滤过波长；调节F-P腔下银层及F-P腔上银层的厚度来调节所滤过光波的带宽大小；调节F-P腔介质层的厚度来调节透过光谱的峰值波长，实现滤波功能；调节光栅阵列单元周期以调节衍射角，调节光栅阵列的光栅高度和占空比来调节各衍射级次的效率分布。
本发明还提供一种可滤过红光和绿光的双波长滤波器件，采用上述的双波长滤波器件，其光栅阵列中，单个光栅单元的结构尺寸周期P＝792nm、宽度W＝200nm、高度H＝430nm、F-P腔上银层和F-P腔下银层厚度dAg＝40nm、F-P腔介质层厚度dFP＝180nm。
本发明还提供一种可滤过红光和蓝光的双波长滤波器件，采用上述的双波长滤波器件，其光栅阵列中，单个光栅单元的结构尺寸周期P＝530nm、宽度W＝150nm、高度H＝400nm、F-P腔上银层和F-P腔下银层厚度dAg＝40nm、F-P腔介质层厚度dFP＝180nm。
本发明还提供一种可滤过绿光和蓝光的双波长滤波器件，采用上述的双波长滤波器件，其光栅阵列中，单个光栅单元的结构尺寸周期P＝718nm、宽度W＝200nm、高度H＝400nm、F-P腔上银层和F-P腔下银层厚度dAg＝40nm、F-P腔介质层厚度dFP＝149nm。
本发明提供的基于微纳光栅阵列及微纳F-P腔构造的双波长滤波器件，其特点是，将微纳F-P腔结构作为空间滤波器，银层金属膜的厚度可用于调节所滤过光波的带宽大小，中间介质层的厚度将会决定透过光谱的峰值波长，实现滤波功能，入射光的入射角度同样会影响整个微纳F-P腔的透射峰值波长；每个微纳光栅阵列单元在整个结构中起着色散作用，通过调节光栅周期可以得到不同的衍射角，同时，光栅的高度和占空比将会影响着各衍射级次的效率分布情况；整个滤波结构开始作用时，在工作波段范围内，微纳光栅阵列将会发生色散，微纳F-P腔滤过特定窄带波段的光，每一入射角度通过微纳F-P腔都有唯一滤过峰值波长，通过微纳光栅阵列得到多阶衍射级，再经微纳F-P腔结构滤波，最后得到双波长窄带光波。
所述电介质-金属微纳结构的工作波段为整个可见光波段(375nm-750nm)，不同的微纳结构参数滤过的峰值波长不同。所述结构参数包括微纳光栅阵列的周期、高度、占空比及微纳F-P腔的介质层厚度、银层厚度，所述周期为微纳光栅阵列中横向和纵向上相邻色散单元中心轴的间距。
按上述方案，每个微纳光栅阵列单元与F-P腔相叠加可作为窄带滤波器，在工作波段内，S波或P波垂直入射到光栅表面发生色散，可表示为：
nPsinθm＝mλ
其中，n为光栅下中间介质层的折射率，P为光栅周期，θm为第m级衍射级的衍射角，m为衍射级次，λ为入射波长。仅具有特定衍射角、特定波长的衍射级可透过F-P腔。但对于相同微纳结构参数的滤波结构，S波和P波所滤过波长不同，因此需要根据入射线偏振光的偏振态具体设计，设计思路同理。
所述S波为偏振态的入射光所分解的电场垂直于光栅入射面的线偏振波。
所述P波为偏振态的入射光所分解的电场水平于光栅入射面的线偏振波。
所述光栅入射面为纳米砖短轴方向矢量与入射方向矢量共面的平面。
微纳F-P腔结构通过调节F-P介质层厚度和银层厚度来实现不同波长的峰值窄带滤波，该滤波效应可用薄膜的多光束干涉理论解释，整个三层微纳F-P腔结构相当于三层薄膜相叠加，因此具有优异的波长选择性。
所述优化所述电介质纳米砖阵列结构的结构参数，具体为：
采用电磁仿真法，将可见光波段内的S波垂直入射到单个叠层超表面滤波单元上，调节F-P腔的银层和介质层的厚度，保证窄带滤波；优化光栅的结构参数，使得微纳光栅阵列的色散关系和F-P腔滤过峰值波长、入射角相匹配，实现双波长滤波；所述叠层超表面滤波单元结构包括衬底、F-P腔下银层、F-P腔介质层、F-P腔上银层、中间介质层、光栅。
和现有的光学滤波片相比，本发明基于微纳光栅阵列和微纳F-P腔结构的滤波器件具有如下优点：
(1)本发明所设计的滤波器件仅通过改变微纳光栅阵列的周期P和F-P腔介质层厚度dFP在整个可见光波段内实现了微米级别的双波长窄带滤光，具有创新性。
(2)本发明所设计的滤波器件滤出的不同波长出射光的出射角度不同，彼此分离，不会产生串扰，因此适用范围更广。
(3)本发明将具有不同尺寸电介质光栅相组合，可实现任意波长的双波长滤波，突破现有光学滤光片的限制，设计方式灵活且结构简单。
(4)和传统的光学滤光片相比，本发明体积小、结构更加紧凑、更加易于集成等优点。
(5)电介质-金属滤波结构可沿用标准光刻工艺加工，工艺简单成熟。
(6)具有超微尺寸结构，可广泛用于光子集成领域。
附图说明
图1是实施例1的双波长滤波器件的三维立体结构示意图；
图2是实施例1的双波长滤波器件的分解结构示意图，其中(a)为单个滤波单元F-P腔结构，(b)为光栅阵列的结构示意图；
图3是实施例1的双波长滤波器件的侧面投影图，其中(a)为正视图，(b)为左视图；
图4是实施例1的红光及绿光双波长滤波器件的透射光谱；
图5是实施例1的红光及蓝光双波长滤波器件的透射光谱；
图6是实施例1的绿光及蓝光双波长滤波器件的透射光谱；
图7是实施例1的双波长滤波器件近场滤波效果示意图。
图中的附图标注为：
1、底层衬底；2、F-P腔下银层；3、F-P腔介质层；4、F-P腔上银层；5、中间衔接层；6、光栅阵列。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
本实施例中，提供了一种基于微纳光栅阵列及微纳F-P腔的叠层超表面，并将之应用于双波长滤波技术中。微纳光栅阵列6由多个电介质光栅单元构成，通过设计光栅参数可以实现特定角度的色散，即波长分离；微纳F-P腔由F-P腔下银层2、F-P腔介质层3、F-P腔上银层4构成，通过调节F-P腔介质层3的厚度可以实现不同波长响应，同时可调节上、下银层的厚度来实现窄带滤波和调整通过率；光栅阵列6和微纳F-P结构通过中间衔接层5相连接。
本实施例中使用氟化镁材料作为底层衬底1、F-P腔介质层3和中间衔接层5的材料，光栅阵列6采用熔融石英刻蚀。所述双波长滤波单元的三维立体结构示意图如图1所示，单个滤波单元的光栅阵列6和F-P腔结构分别如图2(a)(b)所示。
将单个滤波单元的直角边作为x轴和y轴，高为z轴，建立起xyz直角坐标系，如图3(a)(b)所示。微纳光栅阵列6由中间衔接层5和若干光栅单元构成，其中中间衔接层5为长为Lx、宽为Ly的矩形工作面，光栅阵列6由4个独立的光栅单元构成，单个光栅单元的结构尺寸周期P、长度Ly、宽度W、高度H均为亚波长量级。F-P腔由F-P腔下银层2、F-P腔介质层3、F-P腔上银层4构成，其中，单元结构的中间衔接层5为长为Lx、宽为Ly的矩形工作面，F-P腔下银层2、F-P腔介质层3、F-P腔上银层4的长Lx、宽Ly，上下银层高度dAg、及介质层高度dFP均为亚波长量级。中间衔接层5作为光栅阵列6的衬底的同时，将微纳光栅阵列6和微纳F-P结构相连接，形成了叠层超表面单元结构。
所述叠层超表面对沿x轴或y轴偏振的正入射线偏光的透射光具有双波长滤波作用。
下面将提供所述微纳光栅阵列叠加F-P腔结构用作双波长滤波器的具体实施过程。
本发明提供红(629nm)和绿(547nm)、绿(547nm)和蓝(480nm)、红(629nm)和蓝(480nm)三种不同双波长的电介质-金属微纳滤波结构作为设计案例。采用沿y轴方向偏振的正入射光线(S波或P波)作为激励光源，透射光分别表现为相同偏振方向的红光(629nm)、绿光(547nm)、蓝光(480nm)。
第一步，采用现有的FDTD Solution电磁仿真软件，在可见光波段(375nm-750nm)优化F-P腔的结构参数，使得垂直入射的S波在透射时效率在红光(629nm)波段或绿光(547nm)达到最大，且具有较窄的带宽，改变入射角可以得到不同波长的透射S波；同时优化设计微纳光栅阵列6的光栅周期、宽度和高度，使垂直入射的S波能够对应波长产生相应的衍射角。两种微纳结构相互协同，实现双波长滤波功能。优化后的叠层超表面结构单元对应红光和绿光、红光和蓝光、绿光和蓝光有三组结构参数，如下表1所示：
表1叠层超表面单元结构参数
Figure BDA0002121878050000061
沿y轴方向偏振的线偏光入射到两组叠层超表面滤波结构上，其透射光谱响应分别如图4、图5、图6所示，图4中红光带宽13nm，绿光带宽8nm；图5中红光带宽12nm，蓝光带宽6nm；图6中绿光带宽12nm，蓝光带宽14nm。
第二步，经过第一步，即可确定叠层超表面单元结构，采用传统的光刻工艺制备双波长滤波器件。
第三步，使用白光光源，配合扩束准直镜、起偏器、光屏等器件，实验验证双波长滤波功能，具体做法：将白光光源出射的光经扩束准直镜后，入射到起偏器上，得到一束准直的宽波段y方向偏振的线偏光，垂直入射到叠层超表面上，观测到响应波长的透射光。近场滤波效果如图7所示，实现不同的滤波功能时，滤过出射光波长不同，R&G滤波器时，N-红光(629nm)，M-绿光(547nm)；R&B滤波器时，N-红光(629nm)，M-蓝光(480nm)；G&B滤波器时，N-绿光(547nm)，M-蓝光(480nm)。
所述叠层超表面滤波单元结构可通过调节几何参数dAg、dFP、P、H、d，可分别实现红光(629nm)和绿光(547nm)、红光(629nm)和蓝光(480nm)、绿光(547nm)和蓝光(480nm)的过滤；所述叠层超表面滤波单元设计双波长滤波时，使用R&G、R&B和G&B滤波方案，将对应的三种滤波几何结构参数紧密排布在中间介质层上，兼顾相邻光栅的耦合作用，获得R、G、B三色组合滤波方案；所述叠层超表面滤波结构实现滤波功能时，可根据需求使用白光光源或其他激光光源等进行照明，入射光的偏振方向、滤波单元的电磁响应将会共同决定透射光谱的峰值波长。该滤波结构的工作波段可以覆盖整个可见光波段，但并不仅限于此。双波长滤波根据具体设计目的决定，不限于本发明中的方案。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出任何的修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种调节滤过光波长的方法，其特征在于，采用基于微纳光栅阵列及微纳F-P腔结构的双波长滤波器件，包括上层微纳光栅阵列及下层微纳F-P腔，所述F-P腔置于底层衬底上，通过中间衔接层与光栅阵列相衔接，所述滤波器件的单元结构由下往上包括：底层衬底、F-P腔下银层、F-P腔介质层、F-P腔上银层、中间衔接层、光栅阵列，此处微纳尺度是指纳米及微米量级；调节F-P腔下银层及F-P腔上银层的厚度来调节所滤过光波的带宽大小；调节F-P腔介质层的厚度来调节透过光谱的峰值波长，实现滤波功能；调节光栅阵列单元周期以调节衍射角，调节光栅阵列的光栅高度和占空比来调节各衍射级次的效率分布，最终得到双波长窄带光波。
2.如权利要求1调节滤过光波长的方法采用的双波长滤波器件，其特征在于：包括上层微纳光栅阵列及下层微纳F-P腔，所述F-P腔置于底层衬底上，通过中间衔接层与光栅阵列相衔接，所述滤波器件的单元结构由下往上包括：底层衬底、F-P腔下银层、F-P腔介质层、F-P腔上银层、中间衔接层、光栅阵列，此处微纳尺度是指纳米及微米量级。
3.如权利要求2所述的双波长滤波器件，其特征在于：所述底层衬底、F-P腔介质层及中间衔接层采用氟化镁材料，所述光栅阵列采用熔融石英材料，所述F-P腔上银层和F-P腔下银层采用金属银。
4.如权利要求2所述的双波长滤波器件，其特征在于：所述光栅阵列由多个电介质光栅构成长方体形，所述光栅阵列的单元周期结构横截面为长方形，且其长宽高均为亚波长量级。
5.如权利要求2所述的双波长滤波器件，其特征在于：所述F-P腔下银层和F-P腔上银层厚度相同，且所述F-P腔下银层、F-P腔上银层及F-P腔介质层的厚度均为亚波长量级。
6.一种可滤过红光和绿光的双波长滤波器件，其特征在于，采用权利要求2～5任一项所述的双波长滤波器件，其光栅阵列中，单个光栅单元的结构尺寸周期P＝792nm、宽度W＝200nm、高度H＝430nm、F-P腔上银层和F-P腔下银层厚度dAg＝40nm、F-P腔介质层厚度dFP＝180nm。
7.一种可滤过红光和蓝光的双波长滤波器件，其特征在于，采用权利要求2～5任一项所述的双波长滤波器件，其光栅阵列中，单个光栅单元的结构尺寸周期P＝530nm、宽度W＝150nm、高度H＝400nm、F-P腔上银层和F-P腔下银层厚度dAg＝40nm、F-P腔介质层厚度dFP＝180nm。
8.一种可滤过绿光和蓝光的双波长滤波器件，其特征在于，采用权利要求2～5任一项所述的双波长滤波器件，其光栅阵列中，单个光栅单元的结构尺寸周期P＝718nm、宽度W＝200nm、高度H＝400nm、F-P腔上银层和F-P腔下银层厚度dAg＝40nm、F-P腔介质层厚度dFP＝149nm。
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