CN112630878B - 基于纳米孔阵列结构的滤光片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于纳米孔阵列结构的滤光片，主要解决现有滤光片结构复杂、加工难度大、稳定性低，及对不同偏振方向的入射光不能获得相同透射率的问题。其包括：基底(1)，金属膜(2)以及纳米孔阵列(3)，金属膜(2)位于基底(1)的上面，该纳米孔阵列(3)由圆孔(31)和正菱形孔(32)，并按行或列以周期P交错排列刻蚀在金属膜(2)的表面，且圆孔(31)所在行和列均与正菱形孔(32)所在行和列间隔半个周期，使任意一个孔的中心到其周围相邻的四个孔的中心距离相同，通过改变周期P，实现对滤光片透射率的调控。本发明结构简单，易于制造，稳定性高，能获得不同偏振方向入射光照射下的相同透射率，可用于光谱重建。

Description

基于纳米孔阵列结构的滤光片

技术领域

本发明属于微纳光学器件技术领域，具体涉及一种滤光片，可用于光谱重建。

背景技术

物质的光谱被称为物质的“指纹”，在资源勘探，农作物估产，疾病诊断等领域都有广泛的应用。但是，当前获取光谱的分光方法主要有棱镜分光，光栅分光和干涉仪分光，这些分光方法大都需要庞大的设备和复杂的光路，严重制约了光谱在现场检测方面的应用。当前，一种基于透射率调控的光谱重建新方法被提出，该方法是将一组设计好具有确定光谱透射率的滤光片置于一组探测器之前，然后通过后处理即可实现对光谱的重建。这种方法原理简单，易于实现，且不需要复杂的光路，可加装于现有的普通光学成像设备上，为廉价、小型化的光谱仪设计提供新的技术途径，其核心是设计具有已知光谱透射率的滤光片。为了设计满足基于透射率调控的光谱重建方法要求的滤光片，需要该滤光片具有透射率可调控、稳定性高、易于制造的特点，同时为了进一步缩小仪器的尺寸，滤光片的尺寸应该尽可能小，且为了提高光谱重建质量，滤光片需要对任意方向的偏振光均具有相同的透射率特性。

近年来，针对滤光片的设计主要包括以下多种研究：

Bao和Bawendi两位学者在文章《A colloidal quantum dot spectrometer》中提出了一种量子点滤光片，该方法将量子点置于胶体之中构造滤光片，通过改变量子点的种类和大小，调控滤光片的透射率，该滤光片具有较小的尺寸，同时该滤光片对任意方向的偏振光均具有相同的透射率特性，但是量子点胶体需要严密封装，否则，胶体蒸发，会引起透射率改变，从而降低光谱重建的精度，因此该滤光片的稳定性不高，此外该滤光片加工难度较大。

北京理工大学的学者Xiaoxiu Zhu在文章《Broadband perovskite quantum dotspectrometer beyond human visual resoluton》中提出了一种钙钛矿量子点滤光片，通过改变构成滤光片的卤化物的种类，调控其透射率，该滤光片同样具有较小的尺寸，且对任意方向的偏振光均具有相同的透射率特性，同时该滤光片相对于Bao的量子点胶体滤光片更容易制造，但仍存在稳定性不高的问题。

威斯康辛大学麦迪逊分校的Yu教授在文章《Spectral analysis based oncompressive sensing in nanophotonic structures》中提出了一种由光子晶体平板构成的纳米光子结构滤光片，该滤光片具有由上到下的四层结构叠加而成的，且在顶部的Si层上还刻蚀有周期性气孔，通过改变气孔的大小和气孔的排列方式，或者改变滤光片各层的厚度和间距，均可以实现对滤光片透射率的调控，该滤光片尺寸较小，稳定性高，但其结构复杂，加工难度大。

俄勒冈州立大学的Xinyuan Chong学者在文章《On-chip near-infraredspectroscopy of CO2 using high resolution plasmonic filter array》中提出了一种基于等离子体激元光栅的滤光片，该滤光片由覆盖于玻璃基底上的Au薄膜构成，在Au薄膜上刻蚀有周期性缝隙构成光栅，在光栅表面覆盖有SU-8光刻胶作为波导层，通过改变光栅的周期性，调控滤光片的透射率，该滤光片稳定性高，结构简单，易于加工，但是光栅具有方向性，对于不同方向的偏振光该滤光片具有不同的透射率特性，极大地影响了光谱重建的质量。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于纳米孔阵列结构的滤光片，以简化滤光片结构，减小尺寸，提高稳定性，实现对整个可见光光谱范围的透射率调控，且对于任意方向的入射偏振光均具有相同的透射率，从而保证光谱重建的质量。

为实现上述目的，本发明基于纳米孔阵列结构的滤光片，包括基底，覆盖于基底表面的金属膜以及刻蚀在金属膜表面的纳米孔阵列，其特征在于：纳米孔阵列由圆孔和正菱形孔按行或列以周期P交错排列构成，使任意一个孔的中心到其周围相邻的四个孔的中心距离相同，通过改变周期P，实现对滤光片透射率的调控。

进一步，所述圆孔和正菱形孔按行或列以周期P交错排列，是将圆孔和正菱形孔分别按正方形排列，圆孔所在行与正菱形孔所在行间隔半个周期，圆孔所在列与正菱形孔所在列间隔半个周期。

进一步，所述圆孔为正圆性孔，其直径为D1与正菱形孔的对角线长度D2相等。

进一步，所述周期P为相邻两个圆孔中心点之间的距离L，其与圆孔的直径D1关系为：D1/P＝0.6，P＝L。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明由于采用基底和金属膜双层结构，极大的简化了滤光片结构，提高了稳定性，且可保证其透射率不易发生变化，且在金属膜表面刻蚀周期性纳米孔阵列，工艺难度小，易于加工。

本发明的纳米孔阵列由于采用将圆孔和正菱形孔按行或列以周期P交错排列的结构，因此可通过改变周期P实现对整个可见光光谱范围的透射率调控。

本发明由于周期P交错排列的纳米孔阵列，其在行或列方向均具有相同的周期性，使该滤光片呈中心对称，因此，在任意方向的偏振光均具有相同的透射率特性。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是图1在XY方向的结构示意图；

图3是图1在XZ方向的结构示意图；

图4是仿真本发明在SiO2玻璃基底厚度H1为200nm时，Al金属膜厚度H2为50nm时，周期P从300nm～600nm时的透射谱图；

图5是仿真本发明在周期P为480nm时，SiO2玻璃基底厚度H1为200nm时，Al金属膜厚度H2从20nm～300nm时的透射谱图；

图6是仿真本发明在周期P为480nm时，SiO2玻璃基底厚度H1为200nm时，Al金属膜厚度H2为50nm时，对两种偏振方向互相垂直的入射偏振光的透射谱图；

图7是仿真本发明在周期P为480nm时，Al金属膜厚度H2为50nm时，SiO2玻璃基底厚度H1从50nm～500nm时的透射谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例和效果做更详细地描述：

参照图1，本实例设计的基于纳米孔阵列结构的滤光片，其包括基底1，金属膜2以及纳米孔阵列3，纳米孔阵列3由圆孔31和正菱形孔32组成，金属膜2覆盖于基底1表面，纳米孔阵列3刻蚀在金属膜2表面，圆孔31按照正方形排列，其在行方向和列方向具有相同的周期P，正菱形孔32按照正方形排列，其在行方向和列方向具有相同的周期P，圆孔31与正菱形孔32交错排列，圆孔31所在行与正菱形孔32所在行间隔半个周期，圆孔31所在列与正菱形孔32所在列间隔半个周期。基底1采用的材料为SiO2玻璃，该材料具有较好的透射率特性，能够保证滤光片具有较高透射率，且SiO2玻璃容易获得、价格低廉、稳定性很高。金属膜2采用的材料为Al，该材料具有较好的稳定性，不易被腐蚀，同时，这种金属Al价格低廉且容易获得。

参照图2，所述圆孔31为正圆性孔，其直径为D1，正菱形孔32的对角线长度为D2，D1与D2满足关系：D1＝D2，相邻两个圆孔31中心点之间的距离为L，滤光片的周期P与距离L满足关系：P＝L，滤光片的周期P与圆孔31的直径D1满足关系：D1/P＝0.6，通过改变周期P，实现对滤光片透射率的调控，该周期P范围为300nm～600nm。

参照图3，所述基底1的厚度H1为50nm～500nm，金属膜2的厚度H2为20nm～300nm，纳米孔阵列3的深度H3与金属膜2的厚度H2相同。

结合上述附图和描述，本发明给出以下几个不同参数的实施例：

实施例1

设基底1的厚度H1为200nm，金属膜2的厚度H2为50nm，设周期P为300nm，按照D1＝D2＝0.6*P的关系，圆孔31的直径D1为180nm，正菱形孔32的对角线长度D2为180nm，圆孔31按照正方形排列，其在行方向和列方向具有相同的周期P，正菱形孔32按照正方形排列，其在行方向和列方向具有相同的周期P，且正菱形孔32的位置按圆孔31沿行方向平移半个周期P/2长度再沿列方向平移半个周期P/2长度排布，从而得到按行或列以周期P交错排列的圆孔31和正菱形孔32阵列，其任意一个孔的中心到其周围相邻的四个孔的中心距离相同，构成基底厚度为200nm，金属膜的厚度为50nm，纳米孔阵列周期为300nm的滤光片。

实施例2

其结构与实施例1相同，并取基底1、金属膜2的厚度也与实施例1相同，将周期P变为360nm，同时按照D1＝D2＝0.6*P＝216nm的关系，设定圆孔31的直径D1与正菱形孔32的对角线长度D2，构成基底厚度为200nm，金属膜的厚度为50nm，纳米孔阵列周期为360nm的滤光片。

实施例3

其结构与实施例1相同，并取基底1、金属膜2的厚度也与实施例1相同，将周期P变为420nm，同时按照D1＝D2＝0.6*P＝252nm的关系，设定圆孔31的直径D1与正菱形孔32的对角线长度D2，构成基底厚度为200nm，金属膜的厚度为50nm，纳米孔阵列周期为420nm的滤光片。

实施例4

其结构与实施例1相同，并取基底1、金属膜2的厚度也与实施例1相同，将周期P变为480nm，同时按照D1＝D2＝0.6*P＝288nm的关系，设定圆孔31的直径D1与正菱形孔32的对角线长度D2，构成基底厚度为200nm，金属膜的厚度为50nm，纳米孔阵列周期为480nm的滤光片。

实施例5

其结构与实施例1相同，并取基底1、金属膜2的厚度也与实施例1相同，将周期P变为540nm，同时按照D1＝D2＝0.6*P＝324nm的关系，设定圆孔31的直径D1与正菱形孔32的对角线长度D2，构成基底厚度为200nm，金属膜的厚度为50nm，纳米孔阵列周期为540nm的滤光片。

实施例6

其结构与实施例1相同，并取基底1、金属膜2的厚度也与实施例1相同，将周期P变为600nm，同时按照D1＝D2＝0.6*P＝360nm的关系，设定圆孔31的直径D1与正菱形孔32的对角线长度D2，构成基底厚度为200nm，金属膜的厚度为50nm，纳米孔阵列周期为600nm的滤光片。

实施例7

其结构与实施例4相同，并取基底1的厚度H1、周期P、圆孔31的直径D1、正菱形孔32的对角线长度D2也与实施例4相同，将金属膜2的厚度H2变为20nm，构成基底厚度为200nm，金属膜的厚度为20nm，纳米孔阵列周期为480nm的滤光片。

实施例8

其结构与实施例4相同，并取基底1的厚度H1、周期P、圆孔31的直径D1、正菱形孔32的对角线长度D2也与实施例4相同，将金属膜2的厚度H2变为90nm，构成基底厚度为200nm，金属膜的厚度为90nm，纳米孔阵列周期为480nm的滤光片。

实施例9

其结构与实施例4相同，并取基底1的厚度H1、周期P、圆孔31的直径D1、正菱形孔32的对角线长度D2也与实施例4相同，将金属膜2的厚度H2变为160nm，构成基底厚度为200nm，金属膜的厚度为160nm，纳米孔阵列周期为480nm的滤光片。

实施例10

其结构与实施例4相同，并取基底1的厚度H1、周期P、圆孔31的直径D1、正菱形孔32的对角线长度D2也与实施例4相同，将金属膜2的厚度H2变为230nm，构成基底厚度为200nm，金属膜的厚度为230nm，纳米孔阵列周期为480nm的滤光片。

实施例11

其结构与实施例4相同，并取基底1的厚度H1、周期P、圆孔31的直径D1、正菱形孔32的对角线长度D2也与实施例4相同，将金属膜2的厚度H2变为300nm，构成基底厚度为200nm，金属膜的厚度为300nm，纳米孔阵列周期为480nm的滤光片。

实施例12

其结构与实施例4相同，并取金属膜2的厚度H2、周期P、圆孔31的直径D1、正菱形孔32的对角线长度D2也与实施例4相同，将基底1的厚度H1变为50nm，构成基底厚度为50nm，金属膜的厚度为50nm，纳米孔阵列周期为480nm的滤光片。

实施例13

其结构与实施例4相同，并取金属膜2的厚度H2、周期P、圆孔31的直径D1、正菱形孔32的对角线长度D2也与实施例4相同，将基底1的厚度H1变为350nm，构成基底厚度为350nm，金属膜的厚度为50nm，纳米孔阵列周期为480nm的滤光片。

实施例14

其结构与实施例4相同，并取金属膜2的厚度H2、周期P、圆孔31的直径D1、正菱形孔32的对角线长度D2也与实施例4相同，将基底1的厚度H1变为500nm，构成基底厚度为500nm，金属膜的厚度为50nm，纳米孔阵列周期为480nm的滤光片。

本发明的效果可通过以下仿真实验进一步说明：

一.仿真条件：

采用时域有限差分法FDTD对所涉设计的基于纳米孔阵列结构的滤光片进行仿真实验，FDTD边界条件设置方式为：在z轴正负方向的边界条件设置为完美匹配层PML，在x轴正负方向的边界条件设置为周期性边界条件，在y轴正负方向的边界条件设置为周期性边界条件，光源类型选择平面波，光源波段范围选择400nm到800nm。

二.仿真内容：

仿真实验1，在上述条件下，对实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5和实施例6分别进行透射率仿真实验，得到各自的滤光片透射率曲线，如图4所示。

从图4可见，通过改变纳米孔的排列周期P，可以明显的改变滤光片的透射率曲线，实现对滤光片的透射率特性的调控，同时，滤光片的透射率峰值可达到70％以上。

仿真实验2，在上述条件下，分别对实施例7、实施例8、实施例9、实施例10和实施例11分别进行透射率仿真实验，得到各自相应的滤光片透射率曲线，如图5所示。

从图5可见，随着金属膜2的厚度H2不断增加，滤光片的透射率波峰逐渐降低，金属膜2的厚度H2对透射率的峰值大小有显著的影响。

仿真实验3，在上述条件下，分别设置平面波入射光源为0度偏振光和90度偏振光，对实施例4透射率进行仿真实验，得到滤光片的透射率曲线，如图6所示。

从图6可见，当入射偏振光的偏振方向为0度和90度时，两条透射率曲线完全重合，表明本发明所设计的滤光片透射率特性不受到入射光源的偏振态的影响，极大的提高了滤光片的实际应用范围。

仿真实验4，在上述条件下，分别对实施例12、实施例4、实施例13和实施例14分别进行透射率仿真实验，得到各自相应的滤光片透射率曲线，如图7所示。

从图7可见，随着基底1的厚度H1的改变，滤光片的透射率曲线基本不发生变化，仅当基底1的厚度H1大于350nm时，滤光片的透射率曲线会发生局部劈裂，基底1的厚度H1基本不会影响滤光片的透射率。

综上，本发明的基于纳米孔阵列结构的滤光片仅需要改变纳米孔的排列周期和纳米孔的尺寸，即可实现在整个可见光光谱范围下对滤光片透射率的调控，操作简便，同时，滤光片具有结构简单，易于制造，稳定性高的特点，整个滤光片结构呈中心对称，使得滤光片对任意方向的偏振光具有相同的透射率特性，使用范围更加广泛。

以上描述仅是本发明的几个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于纳米孔阵列结构的滤光片，包括基底(1)，覆盖于基底(1)表面的金属膜(2)以及刻蚀在金属膜(2)表面的纳米孔阵列(3)，其特征在于：纳米孔阵列(3)由圆孔(31)和正菱形孔(32)按行或列以周期P交错排列构成，使任意一个孔的中心到其周围相邻的四个孔的中心距离相同，通过改变周期P，实现对滤光片透射率的调控。

2.根据权利要求1所述的滤光片，其特征在于：所述圆孔(31)和正菱形孔(32)按行或列以周期P交错排列，是将圆孔(31)和正菱形孔(32)分别按正方形排列，圆孔(31)所在行与正菱形孔(32)所在行间隔半个周期，圆孔(31)所在列与正菱形孔(32)所在列间隔半个周期。

3.根据权利要求1所述的滤光片，其特征在于：圆孔(31)为正圆性孔，其直径为D1与正菱形孔(32)的对角线长度D2相等。

4.根据权利要求1所述的滤光片，其特征在于：所述周期P为相邻两个圆孔(31)中心点之间的距离L，其与圆孔(31)的直径D1关系为：D1/P＝0.6，P＝L。

5.根据权利要求1所述的的滤光片，其特征在于：基底(1)采用SiO2玻璃材料，其厚度H1为50nm～500nm。

6.根据权利要求1所述的的滤光片，其特征在于：金属膜(2)采用Al材料，其厚度H2为20nm～300nm。

7.根据权利要求1所述的的滤光片，其特征在于：纳米孔阵列(3)的深度H3与金属膜(2)的厚度H2相同。

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