CN110488484B - 一种基于银纳米砖阵列的双通道红绿滤光片 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于银纳米砖阵列的双通道红绿滤光片及其设计方法。该双通道红绿滤光片能够有效将入射线偏光转化为红光或绿光。本发明所涉及的双通道红绿滤光片，包括：石英玻璃；纳米砖阵列结构，形成在该石英玻璃的一侧表面，用以对反射光的颜色进行调制。纳米砖阵列由纳米砖单元周期性排列形成，并且纳米砖为长方体形，长宽高均为亚波长尺寸。本发明所提供的双通道红绿滤光片能够实现对红光或者绿光的过滤，且体积小、成本低、重量小、设计思路简单，非常适宜于在微型光电体系中应用。

Description

一种基于银纳米砖阵列的双通道红绿滤光片
技术领域
本发明属于微纳光学和偏振光学领域，具体涉及一种双通道动态红绿滤光片及其设计方法。
背景技术
滤光片是用来选取所需辐射波段的光学器件。滤光片的作用很大，在摄影界有着广泛应用。它能够使图像更好地还原物体本身的颜色，免受光源的干扰；也可以使摄影师更好地突出某一主题。
现有滤光片是在塑料或者玻璃片加入特种染料做成的，一般只能针对静态的某一波长或者波段工作，想要过滤其它波段时往往要更换滤光片，这给实际使用带来了许多不方便；另外，传统滤光片尺寸、重量都较大，不适宜当前光、机、电集成的趋势。
基于超表面材料的双通道红绿滤光片，较好地解决了传统滤光片的弊端，为滤光片的使用引入了新的自由度。
发明内容
针对传统滤光片的不足，本发明结合偏振理论，通过设计银纳米砖阵列从而提供一种高效的、有一定自由度的基于银纳米砖阵列的双通道红绿滤光片。
本发明利用在基底上设计阵列银纳米砖的结构以实现双通道滤光的作用，该滤光片的调控参数包括纳米砖的长宽高以及纳米砖块的间距，上述参数可通过电磁仿真法在红绿波段(500nm-630nm)进行优化，仅仅通过改变纳米砖阵列的旋向就可以实现反射光颜色的改变。而且本发明可以实现透反射复用。纳米砖的阵列参数可根据需要进行调控和优化以达到预期的双通道滤光效果，具有较好的自由度，方便定制。
本发明提供的技术方案如下：
一种基于银纳米砖阵列的双通道红绿滤光片，
包括衬底；
衬底上设置有周期性排列的纳米砖阵列；
所述纳米砖为长方体结构，长宽高均为亚波长尺寸。
具体的，所述纳米砖阵列长轴经线偏振光入射后反射红光，短轴经线偏振光入射后反射绿光。
具体的，所述纳米砖阵列长轴经线偏振光入射时，水平方向转动滤光片90°，反射光的从红光变成绿光。
具体的，所述纳米砖为银纳米砖。
具体的，所述衬底为石英玻璃。
具体的，上述滤光片的调控参数包括纳米砖的长宽高以及纳米砖块的间距。
具体的，所述调控参数通过电磁仿真法进行优化。该基于银纳米砖阵列的双通道红绿滤光片的设计方法，包括以下步骤：(1)采用现有的CST STUDIO SUITE电磁仿真工具，在工作波长下优化银纳米砖单元的结构，使得入射线偏光沿纳米砖长轴偏振时，红光反射效率超过90％；入射线偏光沿纳米砖短轴偏振时，绿光反射效率超过70％；通过转动本纳米砖阵列结构，可以实现反射光从红光到绿光的变化；(2)经过第一步，即可确定单个银纳米砖单元的结构，根据单个银纳米砖单元确定银纳米砖阵列结构；(3)根据第二步确定的银纳米砖阵列结构，采用光刻工艺制备双通道动态红绿滤光片。
本发明的有益效果：
(1)所提供的滤光片实现了入射光的双通道滤波，入射线偏光沿纳米砖长轴偏振时，红光(483.87Thz)反射效率可达90.8％；入射线偏光沿纳米砖短轴偏振时，绿光(483.87Thz)反射效率可达70.3％；通过水平转动滤光片可以实现反射光从红光到绿光的变化；
(2)结构参数的微调对本发明中的宽带反射式半波片影响较小；
(3)和针对固定波长或者波段的传统滤光片相比，本发明对颜色的调节是双通道的，可以通过改变纳米砖阵列的旋向改变实现反射光谱的改变；
(4)和传统滤光片相比，本发明所提供的滤光片具有体积小、成本低、重量小、能够实现动态调制的优点；
(5)具有超微尺寸结构，可广泛用于光子集成领域；
(6)金属纳米砖阵列结构可沿用标准光刻工艺加工，工艺简单；
(7)为双通道红绿滤光片的设计和制备提供了一种新思路，具有极大的参考价值和应用前景。
附图说明
图1是实施例1中基于银纳米砖阵列的双通道红绿滤光片的结构单元示意图；
图2是实施例1中部分银纳米砖阵列结构的三维结构示意图；
图3是实施例1中银纳米砖阵列对入射光的仿真结果图，其中x轴为波长，y轴为反射效率，包括长轴反射效率和短轴反射效率。
附图标记：1-纳米砖；2-衬底，其中L为纳米砖长轴尺寸；W为纳米砖短轴尺寸；H为纳米砖高度，CS为纳米砖的间距。
具体实施方式
为了更清楚的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。
实施例1
图1～2示出了的银纳米砖阵列结构，包括二层，从上至下依次为银纳米砖1，衬底2。其中，银纳米砖阵列1由银纳米砖单元结构周期性排列构成，银纳米砖为长方体，且其长宽高均为亚波长尺寸。单个银纳米砖单元的结构见图1。本实施例中，衬底2为二氧化硅衬底。
所述银纳米砖阵列可采用电子束光刻技术在熔融石英上制作。
下面将提供本实施例滤光片用作宽带反射式半波片的制备过程。
本实施例中，衬底为二氧化硅。选取工作波段500-650nm，并构建坐标系，以银纳米砖的长、宽为X、Y轴，以银纳米砖的高为Z轴，见图1。
第一步，采用现有的CST STUDIO SUITE电磁仿真工具，在工作波长下优化银纳米砖单元的结构，使得入射线偏光沿纳米砖长轴偏振时，红光反射效率超过90％；入射线偏光沿纳米砖短轴偏振时，绿光反射效率超过70％；通过转动本纳米砖阵列结构，可以实现反射光从红光到绿光的变化。本实施例中，优化后的银纳米砖长L＝140nm，宽W＝85nm，厚H＝70nm，单元结构内，CS＝340nm。
第二步，经过第一步，即可确定单个银纳米砖单元的结构，根据单个银纳米砖单元确定银纳米砖阵列结构。
第三步，根据第二步确定的银纳米砖阵列结构，采用光刻工艺制备双通道动态红绿滤光片。
应用实施例1
滤光效果仿真测试
测试方法：采用现有的CST STUDIO SUITE电磁仿真工具，选择纳米砖参数L＝140nm，宽W＝85nm，厚H＝70nm，CS＝340nm，进行反射光仿真测试。
测试结果如图3所示。结果表明：在红光波段，长轴反射效率可以达到90％；在绿光波段，短轴反射效率能够达到70％。也即表明当通过旋转滤光片90°即改变线偏振光的入射路径(从长轴入射到从短轴入射)，可以实现反射光谱的颜色改变(红变绿)。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于银纳米砖阵列的双通道红绿滤光片，其特征在于：
包括衬底；
衬底上设置有周期性排列的纳米砖阵列；
所述纳米砖为长方体结构，长宽高均为亚波长尺寸；纳米砖参数长L＝140nm，宽W＝85nm，厚H＝70nm，CS＝340nm；
所述纳米砖阵列长轴经线偏振光入射后反射红光，短轴经线偏振光入射后反射绿光；
所述纳米砖阵列长轴经偏振光入射时，水平方向转动滤光片90°，反射光的从红光变成绿光；
所述双通道红绿滤光片的设计方法，包括以下步骤：
(1)采用现有的CST STUDIO SUITE电磁仿真工具，在工作波长下优化银纳米砖单元的结构，使得入射线偏光沿纳米砖长轴偏振时，红光反射效率超过90％；入射线偏光沿纳米砖短轴偏振时，绿光反射效率超过70％；通过转动本纳米砖阵列结构，可以实现反射光从红光到绿光的变化；
(2)经过第一步，即可确定单个银纳米砖单元的结构，根据单个银纳米砖单元确定银纳米砖阵列结构；
(3)根据第二步确定的银纳米砖阵列结构，采用光刻工艺制备双通道动态红绿滤光片。
2.根据权利要求1所述的滤光片，其特征在于：所述纳米砖为银纳米砖。
3.根据权利要求1所述的滤光片，其特征在于：所述衬底为石英玻璃。
4.根据权利要求1所述的滤光片，其特征在于：其调控参数包括纳米砖的长宽高以及纳米砖块的间距。
5.根据权利要求4所述的滤光片，其特征在于：所述调控参数通过电磁仿真法进行优化。
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