CN110568525A - 基于微纳起偏器及f-p腔结构的彩色纳米印刷器件 - Google Patents

基于微纳起偏器及f-p腔结构的彩色纳米印刷器件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于微纳起偏器及F‑P腔结构的彩色纳米印刷器件，叠层超表面包括衬底、金属纳米砖阵列及F‑P腔阵列。基于金属表面等离子共振效应，通过特定的金属纳米砖尺寸可设计出偏振分离的金属纳米砖结构；基于F‑P腔的波长选择机理可设计具有窄带滤光作用的微纳F‑P阵列结构。金属纳米砖阵列在不同的工作状态下可作为蓝光、绿光及红光波段的起偏器，具有宽带的光谱响应及强度调制功能，叠加具有波长选择作用的微纳F‑P腔阵列，可构建超窄带微纳起偏器，并用于实现彩色纳米印刷功能。本发明可实现广色域、连续灰度调制及高分辨率的彩色图像印刷/显示，可广泛用于信息加密、光学防伪、复制画等领域，具有设计灵活、加工简单、结构紧凑等突出优点。

Description

基于微纳起偏器及F-P腔结构的彩色纳米印刷器件
技术领域
本发明涉及微纳光学和偏振光学领域，具体是指一种基于微纳起偏器及F-P腔结构的彩色纳米印刷器件。
背景技术
超表面具有亚波长结构，是一种二维人工材料，可对电磁场的振幅、相位、偏振态等物理特性进行精密操控，因此被用于设计平面光学器件，目前基于超表面的彩色纳米印刷技术被广泛研究。局限于结构色本身原理的限制，大部分基于超表面的彩色纳米印刷技术依赖于微纳结构的尺寸参数特性，因此只能产生有限种颜色，使用与原图像颜色相近的颜色进行彩色显示，具有明显的色差，与传统的彩色印刷技术相比，相距甚远。与此同时，基于超表面的微纳滤光片已取得一些进展，可实现窄带光谱响应并产生简单的图案。基于以上研究现状，可以推断，基于超表面的彩色纳米印刷技术急需一种新的工作机制，使光强调制功能与窄带滤光功能相结合，以满足深层次的应用需求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于微纳起偏器及F-P腔结构的彩色纳米印刷器件，即一种叠层超表面，包含宽带起偏器及F-P腔两种微纳结构，这种叠层超表面单元结构针对特定工作波长设计，具有窄带的光谱响应并能够有效地调制光谱强度从而实现彩色纳米印刷功能。
为实现上述目的，本发明一方面提供一种基于微纳起偏器及F-P腔结构的彩色印刷器件，其特征在于：包括衬底、衬底上的金属纳米砖组成的金属纳米砖阵列、F-P腔单元结构组成的F-P腔阵列及中间介质层；所述金属纳米砖与F-P腔单元结构通过中间介质层相互衔接，即单元结构中从下往上分别为衬底、金属纳米砖、覆盖住金属纳米砖的中间介质层、F-P腔下银层、F-P腔电介质层和F-P腔上银层；
所述金属纳米砖阵列由金属纳米砖的单元结构周期性排列构成；根据响应波段的不同所述金属纳米砖的单元结构具有不同的几何尺寸，所述几何尺寸包括周期大小及长宽；
所述金属纳米砖为长方体形，嵌入衬底中，周期结构横截面为正方形，且其长宽高均为亚波长尺寸；以单元结构直角边为x轴和y轴建立xoy直角坐标系，金属纳米砖的长边为长轴、金属纳米砖的短边为短轴，金属纳米砖的长轴与x轴夹角φ为金属纳米砖的旋向角；
基于金属表面等离子共振效应，通过特定的金属纳米砖尺寸可设计出偏振分离的金属纳米砖结构；基于F-P腔的波长选择机理可设计具有窄带滤光作用的微纳F-P阵列结构。
所述F-P腔阵列由F-P腔单元结构周期性排列构成；所述F-P腔单元结构由F-P腔下银层、F-P腔电介质层和F-P腔上银层构成；所述F-P腔单元结构具有与金属纳米砖的单元结构相同的周期结构；根据响应波段的不同，所述F-P腔上银层和F-P腔下银层厚度相同，但F-P腔电介质层厚度不同；且所述F-P腔下银层、F-P腔电介质层和F-P腔上银层的厚度均为亚波长尺寸；
所述F-P腔阵列作为空间滤波片，通过调节F-P腔电介质层的厚度灵活调整透射光光谱的峰值波长，实现滤波；所述F-P腔上银层和F-P腔下银层的厚度则用于调节所滤光波的带宽大小；每个金属纳米砖可用作宽带起偏器，在工作波长范围内对沿金属纳米砖长短轴方向偏振的相互正交的的线偏光分量具有偏振分离的功能，当金属纳米砖改变旋向角φ时，可对入射线偏光的光强进行调制；彩色印刷器件整个结构作用时，F-P腔阵列使得特定窄带波段的光透过，同时金属纳米砖发生协同作用，调节透过光的光强，从而起到灵活调控出射光的色度、灰度的作用；
所述微纳起偏器及F-P腔结构构成的超表面为叠层超表面，其在白光范围内即375nm—750nm进行响应，不同的几何结构参数响应波段不同；所述结构参数包括金属纳米砖的长L、宽W、高H、周期CS、F-P腔上银层和F-P腔下银层的厚度dAg、F-P腔电介质层厚度dFP及介质衔接层厚度dx，所述周期为金属纳米砖阵列中横向和纵向上相邻金属纳米砖的中心轴的距离；
每个金属纳米砖叠加F-P腔的单元结构为叠层超表面的单元结构，可作为窄带起偏器，使入射光波在响应波段内发生偏振分离，p波被反射，s波直接透过，通过改变金属纳米砖的旋向角对特定偏振态的线偏光进行强度调制，其对透射光调制偏振态及强度的功能表示为：
其中，φ为金属纳米砖的旋向角；当沿y轴方向偏振的线偏光正入射时，透射光沿金属纳米砖短轴方向偏振，并且强度受到调制，变成入射光光强的cos2φ倍；当沿x轴方向偏振的线偏光正入射时，透射光沿金属纳米砖短轴方向偏振，强度被调制成入射光光强的sin2φ倍；
所述金属纳米砖入射面为金属纳米砖长轴方向矢量与入射方向矢量共面的平面；
所述s波为偏振态的入射光所分解的电场垂直于金属纳米砖入射面的线偏振波；
所述p波为偏振态的入射光所分解的电场水平于金属纳米砖入射面的线偏振波。
作为优选方案，所述金属纳米砖阵列的结构参数具体为：采用电磁仿真法，在可见光范围内优化叠层超表面单元结构的结构参数CS、L、W、H、dFP、dx及dAg，优化后的结构参数满足使得具有不同L、W的微纳起偏器在整个可见光波段内响应，并且具有较大带宽，所述较大带宽为半高宽100nm以上；调整F-P腔下银层、F-P腔电介质层和F-P腔上银层厚度，保证窄带宽的基础上使其中心波长与金属纳米砖的响应波段相匹配，使叠层超表面单元结构在特定波段同时实现窄带滤波及强度调制功能，所述窄带宽为半高宽不高于40nm。
进一步地，所述衬底、中间介质层和F-P腔电介质层均采用透明介质材料，所述金属纳米砖采用金属铝、银、铜或金中任一种。
更进一步地，所述透明介质材料为二氧化硅、MgF2或PMMA中任一种。
本发明的优点及有益效果如下：
(1)本发明仅通过改变微纳起偏器-窄带滤波片单元结构的周期及长宽高参数便同时实现了红光、绿光、蓝光波段的偏振分光和强度调制，具有创新性；
(2)本发明将不同尺寸的金属纳米砖进行组合可实现对颜色色度、灰度的精密调控，可产生无限灰度的颜色，突破现有彩色图像显示、印刷系统的限制，设计灵活且结构简单；
(3)本发明实现了微米级别的窄带滤光，混色后的色域范围可突破现有印刷技术，更逼近真实颜色；
(4)和传统偏振光器件相比，本发明具有体积小、重量轻、结构紧凑、易于集成等重要优点；
(5)金属纳米砖阵列结构可沿用标准光刻工艺加工，工艺简单；
(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是实施例中金属纳米砖单元的三维立体结构示意图；
图2是实施例中F-P腔单元的三维立体结构示意图；
图3、图4分别是实施例中叠层超表面单元结构的正面、侧面投影图，图中金属纳米砖旋向角φ为0；
图5是实施例中针对红光设计的叠层超表面单元结构中金属纳米砖旋转角φ为0时，x轴线偏光、y轴线偏光正入射情况下在可见光范围内的透射率谱；
图6是实施例中针对绿光设计的叠层超表面单元结构中金属纳米砖旋转角φ为0时，x轴线偏光、y轴线偏光正入射情况下在可见光范围内的透射率谱；
图7是实施例中针对蓝光设计的叠层超表面单元结构中金属纳米砖旋转角φ为0时，x轴线偏光、y轴线偏光正入射情况下在可见光范围内的透射率谱；
图8是y轴线偏光正入射，实施例中针对红光设计的叠层超表面单元结构中金属纳米砖改变旋转角φ时在可见光范围内的透射率谱；
图9是y轴线偏光正入射，实施例中针对绿光设计的叠层超表面单元结构中金属纳米砖改变旋转角φ时在可见光范围内的透射率谱；
图10是y轴线偏光正入射，实施例中针对蓝光设计的叠层超表面单元结构中金属纳米砖改变旋转角φ时在可见光范围内的透射率谱；
图11、图12分别是本发明实施例中使用金属纳米砖设计彩色像元的金属纳米砖阵列排布示意图与三维立体结构示意图；
图13是本发明实施例中基于金属纳米砖阵列结构的微纳带通起偏器实现近场彩色图像显示的效果模拟示意图。
图中：衬底1；金属纳米砖2；中间介质层3；F-P腔下银层4；F-P腔电介质层5；F-P腔上银层6；R小阵列7；G小阵列8；B小阵列9；L为金属纳米砖长轴尺寸；W为金属纳米砖短轴尺寸；H为金属纳米砖高度；CS为金属纳米砖周期尺寸大小；φ为金属纳米砖旋向角；dx为中间介质层厚度；dAg为F-P腔上、下银层厚度；dFP为F-P腔电介质层厚度。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步地详细描述。
本实施例中的基于金属纳米砖及微纳F-P腔的叠层超表面，并将其应用于彩色纳米印刷技术。金属纳米砖阵列由衬底和金属纳米砖阵列两层结构构成，通过设计可实现特定宽带波长范围内的偏振分离(透射光)；微纳F-P腔由上、下银层及中间电介质层厚度构成，通过调节中间电介质层的厚度可实现不同波长的响应，而上、下银层的厚度则可用来控制透射光谱的窄带带宽及峰值效率；金属纳米砖及微纳F-P腔结构由中间介质层进行衔接耦合。
本实施例中采用熔融石英材料作为衬底、衔接层及F-P腔电介质层，金属铝材料用以刻蚀金属纳米砖结构，单个金属纳米砖及微纳F-P腔结构如图1、图2所示，金属纳米砖结构由1-衬底和2-金属纳米砖构成，其中，单元结构的衬底为边长为C的正方形工作面，金属纳米砖结构尺寸长L、宽W、高H均为亚波长尺寸，以单元结构直角边为x轴和y轴，高为z轴，建立xyz直角坐标系，金属纳米砖长边为长轴、短边为短轴，金属纳米砖的长轴与x轴夹角φ为金属纳米砖的旋向角；F-P腔由4-下银层、5-F-P电介质层和6-上银层构成，其中，单元结构的衬底为边长为C的正方形工作面，4,5,6的长宽均为C，高dAg、dFP均为亚波长尺寸。金属纳米砖与微纳F-P腔组合形成的叠层超表面单元结构正视图、左视图如图3、图4所示，3-中间介质层衔接了金属纳米砖结构与F-P腔结构。
叠层超表面对沿y轴偏振的正入射线偏光的透射光具有滤波及强度调制作用。
下面将提供金属纳米砖叠加F-P阵列结构用作偏振分光器的具体实施过程。
本实施例中，衬底为熔融石英。选取红光、绿光、蓝光为三个响应波段，沿y轴偏振的正入射线偏光为激励光源。
第一步，采用现有的CSTSTUDIOSUITE电磁仿真工具，在可见光波段(375nm—760nm)优化铝金属纳米砖单元的结构，使得透射的s波效率在所需红光、绿光、蓝光波段分别达到最大，p波透过率较低，并且具有较大带宽；同时优化设计F-P腔的银层、介质层厚度，使其在对应波段形成窄带透射峰。两种微纳结构进行协同作用，同时实现滤波和偏振分离功能。本实施例中，优化后的叠层超表面单元结构对应红光、绿光、蓝光波段有三组几何结构参数：
表1叠层超表面单元结构参数
沿x轴、y轴方向偏振的线偏光入射到三组叠层超表面单元结构的透反射光谱响应分别如图5、图6、图7所示。在保持高度H不变的条件下通过调节铝金属纳米砖的L、W参数分别实现了红光、绿光、蓝光波段的偏振分光功能，峰值效率分别为50％(波长658nm)、50％(波长523nm)和52％(波长432nm)；而F-P腔则通过调整F-P腔介质层的厚度实现了不同波段的窄带滤光，半高宽分别为12nm(波长658nm)、10nm(波长523nm)和13nm(波长432nm)。改变金属纳米砖结构的旋向角，可实现透射光强的任意灰度调节，具体结果如图8、图9、图10所示。
第二步，经过第一步，即可确定叠层超表面单元结构，根据单元结构参数确定彩色像元结构，每个彩色像元结构中有R、G、B小阵列组成，其中，R小阵列7、G小阵列8各一个，B小阵列9两个，这四个小阵列紧密排列即可获得彩色像元结构，排列方案如图11、图12所示，B小阵列呈对角排布，本实施例中，一个R\G\B小阵列包含5╳5个单元结构。
第三步，经过第二步，即可确定彩色像元结构，根据叠层超表面单元结构的电磁响应、彩色像元结构排列方式及马吕斯定律可将彩色像素的R、G、B分量存储在金属纳米砖旋向角的排布中，完成彩色图像信息的存储。
第四步，采用光刻工艺制备彩色纳米印刷器件。
第五步，使用连续光谱激光光源，准直后开启波长分别为432nm、523nm、658nm的激光通道，配合分光镜、起偏器、CCD和光学显微系统，实验验证彩色纳米印刷器件的图像再现功能，具体做法为：将光源耦合到显微系统中，用波长分别为432nm、523nm、658nm的y轴线偏光同时垂直入射到超表面，使用显微镜观测近场透射面，可直接肉眼观察到彩色图像，并由CCD捕捉，成像模拟过程如图13所示。

Claims (4)

1.一种基于微纳起偏器及F-P腔结构的彩色印刷器件，其特征在于：包括衬底(1)、衬底(1)上的金属纳米砖(2)组成的金属纳米砖阵列、F-P腔单元结构组成的F-P腔阵列及中间介质层(3)；所述金属纳米砖(2)与F-P腔单元结构通过中间介质层(3)相互衔接，即单元结构中从下往上分别为衬底(1)、金属纳米砖(2)、覆盖住金属纳米砖(2)的中间介质层(3)、F-P腔下银层(4)、F-P腔电介质层(5)和F-P腔上银层(6)；
所述金属纳米砖阵列由金属纳米砖(2)的单元结构周期性排列构成；根据响应波段的不同所述金属纳米砖(2)的单元结构具有不同的几何尺寸，所述几何尺寸包括周期大小及长宽；
所述金属纳米砖(2)为长方体形，嵌入衬底(1)中，周期结构横截面为正方形，且其长宽高均为亚波长尺寸；以单元结构直角边为x轴和y轴建立xoy直角坐标系，金属纳米砖(2)的长边为长轴、金属纳米砖(2)的短边为短轴，金属纳米砖(2)的长轴与x轴夹角φ为金属纳米砖(2)的旋向角；
所述F-P腔阵列由F-P腔单元结构周期性排列构成；所述F-P腔单元结构由F-P腔下银层(4)、F-P腔电介质层(5)和F-P腔上银层(6)构成；所述F-P腔单元结构具有与金属纳米砖(2)的单元结构相同的周期结构；根据响应波段的不同，所述F-P腔上银层(6)和F-P腔下银层(4)厚度相同，但F-P腔电介质层(5)厚度不同；且所述F-P腔下银层(4)、F-P腔电介质层(5)和F-P腔上银层(6)的厚度均为亚波长尺寸；
所述F-P腔阵列作为空间滤波片，通过调节F-P腔电介质层(5)的厚度灵活调整透射光光谱的峰值波长，实现滤波；所述F-P腔上银层(6)和F-P腔下银层(4)的厚度则用于调节所滤光波的带宽大小；每个金属纳米砖(2)可用作宽带起偏器，在工作波长范围内对沿金属纳米砖(2)长短轴方向偏振的相互正交的的线偏光分量具有偏振分离的功能，当金属纳米砖(2)改变旋向角φ时，可对入射线偏光的光强进行调制；彩色印刷器件整个结构作用时，F-P腔阵列使得特定窄带波段的光透过，同时金属纳米砖(2)发生协同作用，调节透过光的光强，从而起到灵活调控出射光的色度、灰度的作用；
所述微纳起偏器及F-P腔结构构成的超表面为叠层超表面，其在白光范围内即375nm—750nm进行响应，不同的几何结构参数响应波段不同；所述结构参数包括金属纳米砖(2)的长L、宽W、高H、周期CS、F-P腔上银层(6)和F-P腔下银层(4)的厚度dAg、F-P腔电介质层(5)厚度dFP及介质衔接层厚度dx，所述周期为金属纳米砖阵列中横向和纵向上相邻金属纳米砖的中心轴的距离；
每个金属纳米砖(2)叠加F-P腔的单元结构为叠层超表面的单元结构，可作为窄带起偏器，使入射光波在响应波段内发生偏振分离，p波被反射，s波直接透过，通过改变金属纳米砖的旋向角对特定偏振态的线偏光进行强度调制，其对透射光调制偏振态及强度的功能表示为：
其中，φ为金属纳米砖(2)的旋向角；当沿y轴方向偏振的线偏光正入射时，透射光沿金属纳米砖(2)短轴方向偏振，并且强度受到调制，变成入射光光强的cos2φ倍；当沿x轴方向偏振的线偏光正入射时，透射光沿金属纳米砖(2)短轴方向偏振，强度被调制成入射光光强的sin2φ倍；
所述金属纳米砖(2)入射面为金属纳米砖(2)长轴方向矢量与入射方向矢量共面的平面；
所述s波为偏振态的入射光所分解的电场垂直于金属纳米砖(2)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金属纳米砖(2)入射面的线偏振波。
2.根据权利要求1所述的基于微纳起偏器及F-P腔结构的彩色印刷器件，其特征在于：
所述金属纳米砖阵列的结构参数具体为：采用电磁仿真法，在可见光范围内优化叠层超表面单元结构的结构参数CS、L、W、H、dFP、dx及dAg，优化后的结构参数满足使得具有不同L、W的微纳起偏器在整个可见光波段内响应，并且具有较大带宽，所述较大带宽为半高宽100nm以上；调整F-P腔下银层(4)、F-P腔电介质层(5)和F-P腔上银层(6)厚度，保证窄带宽的基础上使其中心波长与金属纳米砖(2)的响应波段相匹配，使叠层超表面单元结构在特定波段同时实现窄带滤波及强度调制功能，所述窄带宽为半高宽不高于40nm。
3.根据权利要求1或2所述的基于叠层超表面结构的彩色印刷器件，其特征在于：所述衬底(1)、中间介质层(3)和F-P腔电介质层(5)均采用透明介质材料，所述金属纳米砖(2)采用金属铝、银、铜或金中任一种。
4.根据权利要求3所述的基于微纳起偏器及F-P腔结构的彩色印刷器件，其特征在于：所述透明介质材料为二氧化硅、MgF2或PMMA中任一种。
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