CN113189689B - 一种基于超表面阵列结构的长波通滤光片 - Google Patents
一种基于超表面阵列结构的长波通滤光片 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113189689B CN113189689B CN202110482639.8A CN202110482639A CN113189689B CN 113189689 B CN113189689 B CN 113189689B CN 202110482639 A CN202110482639 A CN 202110482639A CN 113189689 B CN113189689 B CN 113189689B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- transmittance
- super
- gaas
- long
- band
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 81
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 53
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims abstract description 33
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 5
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 abstract description 106
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 13
- 238000001914 filtration Methods 0.000 abstract description 5
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 abstract description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 abstract description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 30
- 230000008859 change Effects 0.000 description 16
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 description 14
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 11
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 8
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 8
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 7
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 239000010408 film Substances 0.000 description 4
- 239000000975 dye Substances 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 3
- 230000003678 scratch resistant effect Effects 0.000 description 3
- 238000002198 surface plasmon resonance spectroscopy Methods 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005034 decoration Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L calcium difluoride Chemical compound [F-].[F-].[Ca+2] WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910001634 calcium fluoride Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000009795 derivation Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 238000003331 infrared imaging Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000002061 nanopillar Substances 0.000 description 1
- 229910052755 nonmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012788 optical film Substances 0.000 description 1
- 239000005304 optical glass Substances 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 239000004038 photonic crystal Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000011218 segmentation Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/20—Filters
- G02B5/201—Filters in the form of arrays
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/20—Filters
- G02B5/208—Filters for use with infrared or ultraviolet radiation, e.g. for separating visible light from infrared and/or ultraviolet radiation
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Optical Filters (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于超表面阵列结构的长波通滤光片，包括基底、过渡层以及超表面结构三层；每个阵列单元的超表面结构由两部分组成，第一部分为由GaAs条状材料堆叠而成的呈上下立体的“井”字型结构；第二部分为镶嵌在过渡层中并且球心与过渡层中心点重合的GaAs圆球，平面波入射光自下而上入射。本发明基于亚波长超表面结构内共振特性的滤除紫外线的长波通滤光片，从整个波段来看，透过率曲线图中呈现出一个较为完美的阶梯型走势，在短波波段透过率极低，在长波波段透过率极高，低透过率波段与高透过率波段之间的截止波段占据比例极小，截止斜率十分陡峭。即本长波通滤光片可以在紫外波段和红外波段工作，具有良好的紫外阻断和红外透过性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于超表面阵列结构的长波通滤光片。
背景技术
滤光片是一种用来选取所需波段的光学器件，通常是在塑料或玻璃片加入特种染料或者是添加光学镀膜做成的。在传统滤光片中始终存在几何误差和波传播偏差，这在一定程度上限制了滤光片的性能。近年来，亚波长大小的超表面结构滤光片可以很好的克服传统滤光片中存在的问题。超表面是指一种厚度小于波长的人工层状材料。超表面可实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。其具有低剖面，低损耗，易于设计和实现的特性。
近年来，基于亚波长结构的等离子截止滤波器得到了很大的发展，但是由于不可避免的金属损失，这些基于等离子激元的截止滤波器效率低下。另外，由于表面等离子体激元共振的自然特性，这些滤波器不能在大入射角情况下工作，这极大地限制了它们的应用。
非金属截止滤波器作为一种前景广阔的滤波器，已经受到越来越多的关注。非金属且角度不敏感的超表面透射长通滤波器，它在长波中具有高透射率，在短波中具有高抑制透射率。非金属滤光片提出了一种新颖的滤光片设计方法，该方法具有众多优点：角度不敏感，易于制造，面积大，效率高。其在液晶显示器制造，光学通讯，传感器检测和成像等领域具有重要的应用前景。
2010年，Qin等人在基于表面等离子体共振的玻璃铝膜上引入了三种由亚波长三角晶格孔阵列组成的反射滤波器。每个过滤器的红、绿、蓝光在正常情况下的透射率为0.3,ER为10.79dB,ED为0.275,CS为0.003nm-1。2013年，Zhu等人研究了双层光栅滤波器(硅和金)的性能，该滤光片在入射角小于15°时效果很好，而在入射角为30°时透射率降低一半。已经发现，由于不可避免的金属损失，这些基于等离子激元的截止滤波器的效率低下。另外，由于表面等离子体激元共振的自然特性，这些滤波器不能在大入射角情况下工作，这极大地限制了它们的应用。2019年，Khoshdel等人提出了一种周期性的等离子体交叉形纳米天线阵列作为紫外(UV)和红外(IR)截止滤波器。他们提出的纳米天线可以分别阻挡79.6％的UV和65.2％的IR，其中ER的平均值为4.94dB和12.04dB,ED为0.53和0.75,CS为0.004nm-1和0.002nm-1。
在亚波长结构的等离子截止滤波器研究的基础上，非金属截止滤波器得到了长足的发展。
2009年，Cheong等人提出了一种基于二维亚波长超表面阵列结构的反射带通滤波器。光栅由晶体硅和在x，y方向上具有相同周期的正方形晶格组成。通过改变包括光栅周期，厚度和宽度在内的几何参数来优化2D光栅结构。光栅滤波显示了在中心波长520nm，光谱宽度在80nm左右约0.6(30°以下入射为0.5)的反射,在截止波长中的反射为0.05(30°以下入射为0.1),即ER为10.79dB,ED为0.55，CS为0.022nm-1。
2012年，Butt等人展示了一种使用镀金的硅纳米柱的二维阵列的金属过滤器。然而在950nm波段内，ER为6.99dB,ED为0.8,CS为0.004nm-1，性能对入射角非常敏感，特别是CW蓝移到650nm。
2015年，Lee等人还提出了一种基于一维光子晶体的反射长通滤波器。正常入射时的ER为12.04dB，当入射角增加到60°时，ER减小到3.01dB,CW蓝移约30nm。尽管这些滤波器比等离子滤波器效率更高，但由于ER和CW的固有工作机制，它们对入射角都很敏感，因此它们的性能在角度依赖方面仍然有所下降。
传统滤光片主要制作方法有三种：第一种是在特制的光学玻璃上镀上一层根据需求专门设计的光学膜层。这种制作滤光片的方法能够满足不同的需求，可以做到个性化生产。但是由于在日常使用中不可避免的磨损会导致膜层损坏，进而影响滤光片的滤光效果。第二种方法是用有色玻璃制作滤光片，这种方法操作简单，成本低。但是有色玻璃容易吸收热量，当热度达到玻璃临界值容易产生热胀裂。同时，由于有色玻璃的制作方法是在玻璃中加入特定的染料，这就导致了有色玻璃的透光性稍差。第三种方法是在光学塑料中加入特定染料制成滤光片。由于光学塑料表面不耐刮，稍受外力作用就会导致表面出现刮痕，进而影响使用。在高温环境中，由于温度影响其机械结构，导致光学塑料中容易发生膜裂现象，这进一步制约了光学塑料的应用场景。
目前传统滤光片主要采用以上三种方法制备，常规的光学组件依靠在光传播期间累积的逐渐的相移来整形光束，为了达到良好的滤光效果，通常会将滤光片的尺寸制作的非常大。随着器件的小型化和集成化的发展，大尺寸滤光片逐渐无法满足使用需求。相对于传统滤光片而言，通过沿光路在波长范围内引入突然的相移，并根据费马原理控制光的传播，可以实现控制波阵面的新自由度。在此基础上设计了基于超表面阵列结构的长波通滤光片。
由于平面入射光周期通常会比亚波长超表面阵列结构的周期大，相对于传统滤光片通过累积光程，超表面材料通过突然的相变达到滤光效果。因此在分析亚波长超表面阵列结构时，需要对反射和折射定律进行扩充。
在两种介质之间的界面处引入了突然的相移，称为相间不连续，需要应用费马原理重新审视反射和折射定律。考虑入射角为θi的平面波。如图1所示，假设两条路径无限接近实际的光路径，那么它们之间的相位差为零。
[k0ni sin(θi)dx+(Φ+dΦ)]-[k0nt sin(θt)dx+Φ]＝0 (1)
其中θt是折射角；Φ和Φ+dΦ分别是两条路径穿过界面的位置处的相位不连续性。dx是交叉点之间的距离；ni和nt是两种介质的折射率；k0＝2π/λ0，其中λ0是真空波长。如果将沿界面的相位梯度设计为恒定，则先前的等式将导致广义的斯涅耳折射定律：
方程(2)意味着折射光束可以具有任意方向，前提是沿界面引入了合适的恒定的相位不连续性梯度
由于修改后的斯涅尔定律中的非零相位梯度，两个入射角±θi导致了折射角的不同值结果，假设nt＜ni，对于全内反射有两个可能的临界点：
类似地，对于反射，我们有:
其中θr是反射角。θr和θi之间存在非线性关系，这与常规的镜面反射明显不同。等式(4)预测始终存在临界入射角，在该临界角以上，反射光束会消失。
在上面的推导中，假设Φ是沿着界面的位置的连续函数；因此所有入射能量都被转移到异常反射和折射中。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于超表面阵列结构的长波通滤光片，由三维立体结构组合而成，可以在紫外波段和红外波段工作，具有良好的紫外阻断和红外透过性能。
技术方案：一种基于超表面阵列结构的长波通滤光片，包括基底、过渡层以及超表面结构三层；每个阵列单元的所述超表面结构由两部分组成，第一部分为由GaAs条状材料堆叠而成的呈上下立体的“井”字型结构，该部分的条状材料平均的分布在过渡层中心点的左右各1/4处；第二部分为镶嵌在过渡层中并且球心与过渡层中心点重合的GaAs圆球。
进一步的，阵列周期p为188nm-193nm。
进一步的，GaAs圆球半径r为68nm-71nm。
进一步的，过渡层厚度b为120nm-140nm。
进一步的，“井”字型结构的下层GaAs条状材料宽度m为20nm-28nm，下层GaAs条状材料高度t为53nm-65nm；
进一步的，上层GaAs条状材料宽度n为21nm-27nm，上层GaAs条状材料高度d为64nm-72nm。
有益效果：本发明的一种基于超表面阵列结构的长波通滤光片，由阵列三维立体结构组合而成。平面波入射光自下向上垂直入射滤光片。在整个仿真过程中，设定了从200nm的深紫外至6000nm的中红外作为工作波段。从整个波段来看，透过率曲线图中呈现出一个较为完美的阶梯型走势，在短波波段透过率极低，在长波波段透过率极高，低透过率波段与高透过率波段之间的截止波段占据比例极小，截止斜率十分陡峭。从各波段分段来看，在约200nm-450nm的紫外波段，平均透射率在2.8％左右。其中在约248nm处出现一个尖峰，峰值处的透射率控制在6.6％左右。在约445nm处透过率无限接近0，说明平面波在此处几乎无法透过。截止波段从约450nm的低透过率点上升至约850nm的高透过率点。在850nm之后直到6000nm的近红外及中红外波段，整体平均透射率控制在89％左右，其中在约2500nm-5000nm波段处透射率一度在90％以上，在5000nm以后透过率稍有下降。即本长波通滤光片可以在紫外波段和红外波段工作，具有良好的紫外阻断和红外透过性能，在生物检测，红外成像等方面具有良好的应用前景。
附图说明
图1为用于推导广义斯涅尔折射定律的示意图；
图2为本发明长波通滤光片整体结构示意图；
图3为阵列单元立体结构示意图；
图4为阵列单元的主视图；
图5为阵列单元的俯视图；
图6为阵列单元的左视图；
图7为本发明长波通滤光片的性能图；其中(a)为工作在全波段的透过率图，(b)为工作在全波段的反射率图；
图8为本发明长波通滤光片的透射曲线与反射曲线对应图谱；
图9为阵列周期p对本发明长波通滤光片的总体透过率的影响；
图10为过渡层厚度b对本发明长波通滤光片的总体透过率的影响；
图11为GaAs圆球半径r对本发明长波通滤光片的总体透过率的影响；
图12为下层GaAs条状材料宽度m对本发明长波通滤光片的总体透过率的影响；
图13为下层GaAs条状材料高度t对本发明长波通滤光片的总体透过率的影响；
图14为上层GaAs条状材料宽度n对本发明长波通滤光片的总体透过率的影响；
图15为上层GaAs条状材料高度d对本发明长波通滤光片的总体透过率的影响；
图16为单独改变阵列周期p达到允许误差时对应状况；其中(a)为工作波长为185nm至195nm，步长为1nm的透过率对比图；(b)、(d)为固定其它参数，阵列周期p分别为188nm和193nm时透过率达到允许误差极限；(c)为阵列周期p为190nm时透过率图；
图17为GaAs圆球半径r的误差关系图；其中(a)为工作波长为66nm至74nm，步长为1nm的透过率对比图；(b)、(d)固定其它参数，GaAs圆球半径r分别为68nm和71nm时透过率达到允许误差极限；(c)为GaAs圆球半径r为70nm时透过率图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图2至图6所示，一种基于超表面阵列结构的长波通滤光片，包括基底、过渡层以及超表面结构三层；基底材料采用SIO2，过渡层材料采用CaF2；每个阵列单元的超表面结构由两部分组成，第一部分为由GaAs条状材料堆叠而成的呈上下立体的“井”字型结构，该部分的条状材料平均的分布在过渡层中心点的左右各1/4处；第二部分为镶嵌在过渡层中并且球心与过渡层中心点重合的GaAs圆球。
本实施例中，阵列周期p＝190nm；过渡层厚度b＝130nm；GaAs圆球半径r＝70nm；下层GaAs条状材料宽度m＝28nm,下层GaAs条状材料高度t＝57nm；上层GaAs条状材料宽度n＝25nm，上层GaAs条状材料高度d＝68nm。
在符合以上参数的情况下，对阵列结构进行分析。该结构能够很好的做到对紫外波段的抑制和对红外波段的透过，短波段的平透过率在2.5％左右，高波段的透过率在90％左右，截止波段约为520nm-859nm。
图7显示了阵列结构总体的性能情况。从图7的(a)可以看出，滤光片在约248nm处出现一个尖峰，通过多次仿真把峰值控制在6.6％左右。在约445nm处的透过率几乎接近0。在1000nm-1600nm波段处出现一个轻微凹陷，下凹处最低透过率约为87.7％。图7的(b)中显示了在短波段处光入射到超表面结构层时发生了较为强烈的反射现象，出现三个依次增强的尖峰：在约255nm处的反射率峰值约为13.6％；在约426nm处的反射峰值约为22.3％；在约525nm处的反射峰值最高达到约51.1％。通过与图7的(a)对比发现在248nm处出现的尖峰和在445nm处出现的接近于0透过率的位置大致吻合。在约525nm-721nm处的反射率数值从最高的51.1％急速下跌至约1.3％，对比图7的(a)发现与截止波段的范围相近。在大于900nm的长波段范围内反射率稍有升高随后又趋于平缓，总体看来在长波段中的平均反射率并未超过10％，与图7的(a)中的长波段范围内透过率稍微下降随后又趋于上升相一致。因此，通过对反射曲线和透射曲线的比较，该亚波长大小的三维立体结构主要的工作方式是反射和一定的光波吸收。在约200-450nm的紫外光线反射率高透过率低而大于900nm的红外波段反射率低透过率高。反射曲线与透射曲线的总体对应如图8所示。
为了进一步揭示该亚波长三维立体结构的工作原理，探寻在实际制造生产中不可避免的参数误差允许范围，通过采用控制变量法改变其各个几何参数，试图找出不同的几何参数对滤光片工作性能的影响，为实际的生产给出一定的指导意义。
在其他仿真参数不变的情况下，即过渡层厚度b＝130nm；GaAs圆球半径r＝70nm；下层GaAs条状材料宽度m＝28nm,下层GaAs条状材料高度t＝57nm；上层GaAs条状材料宽度n＝25nm，上层GaAs条状材料高度d＝68nm；随着阵列周期p的改变，结构对入射光的透过率变化过程如图9所示。随着参数p从150nm到250nm，以10nm步长变化时，总体透过率改变幅度偏大。由图9看出，在200nm-450nm区间的短波随着p值的增加由最开始的几乎全部无法透过逐渐上升到平均透过率在10％以上。约248nm处的峰值透过率一度达到近20％的较高透过状态。同时在900nm-6000nm的近红外和中红外波段，随着p值的增加红外透过率迅速达到一个很高的水平。在低p值情况下，由于滤光片过于紧凑导致反射极强，且此时不可忽略米氏共振的影响，在800nm-2500nm处有十分严重的下凹缺陷。当各单元间的间距拉开后反射强度减小，米氏共振的影响变弱，长波段的透过率水平迅速上升，长波透过率平均值达到93％以上。但是同时也发现，当p值过高时反射的强度太弱，短波段的透过率也随之急剧升高。因此选取了p值为190nm使得短波段的透过率和长波段的透过率达到一个相对平衡的状态。结构的截止波段在约500nm-800nm，几乎不受p值改变的影响，不用做过多考虑。
在确定了阵列周期p＝190nm后，保持GaAs圆球半径r＝70nm；下层GaAs条状材料宽度m＝28nm,下层GaAs条状材料高度t＝57nm；上层GaAs条状材料宽度n＝25nm，上层GaAs条状材料高度d＝68nm不变的情况下，改变过渡层厚度b观察其对整体性能的影响。透过率变化过程如图10所示。可以看到，随着过渡层厚度b的变化短波段几乎不改变，在大于4000nm的长波段内透过率稍有下降，降幅极小可忽略不计。总体而言，过渡层的厚度大小对于滤光片性能几乎没有影响。
在确定了阵列周期p＝190nm，过渡层厚度b＝130nm后，通过改变超表面结构尺寸研究其对滤光片性能的影响。保持下层GaAs条状材料宽度m＝28nm,下层GaAs条状材料高度t＝57nm；上层GaAs条状材料宽度n＝25nm，上层GaAs条状材料高度d＝68nm不变的情况下，改变GaAs圆球半径r值的大小，多次计算并对比在不同r值情况下整体结构的透过率情况。透过率变化过程如图11所示。在本次对比实验中，设置的仿真范围为42nm-82nm，步长为4nm。在半径r较小时超表面整体结构偏小，入射光受到的反射较小，短波段透过率较高，平均透过率在17％左右，峰值透过率甚至达到约30％；同时在大于1000nm的红外波段透过率也极高，平均透过率在95％左右；截止波段拉长，最大截止波段在r为42nm时出现，约为400nm-1300nm，截止斜率变缓，整体性能差。逐渐增大圆球半径。由于半径的增加导致超表面结构不断变大，反射逐步增强，米氏共振的影响不可忽视，全波段的平均透过率逐渐降低。其中短波段的降低幅度大于长波段的降低幅度。截止波段缩短，截止斜率变陡。当半径r继续增大至82nm时，全波段的透过率进一步降低。短波段的光波几乎无法透过，平均透过率接近于0，在248nm处的峰值仅有约2.2％。在900nm-2000nm处出现一个很深的凹陷，长波段的平均透过率小于80％，全波段最高透过率在约930nm的长波段拐点处，约为88.3％。为了达到长短波的平衡，选取圆球半径r为70nm，此时短波段平均透过率约为2.5％，短波段峰值位于约248nm处，峰值透过率约为7.1％，同时长波段平均透过率约为89％，透过率分布均匀。
在确定了阵列周期p，过渡层厚度b以及GaAs圆球半径r后，需要对成上下立体结构的“井”字形的条状GaAs变化情况进行分析。该部分的长条状结构平均的分布在过渡层中心线的左右各1/4处，随着阵列周期p值的变化等比例变化。首先对下层GaAs条状材料宽度m值进行仿真。设置的变化范围为10nm-30nm，仿真步长为2nm。从图12中可以看出透过率曲线变化幅度极小。当m值在小于等于18nm时，在248nm处的峰值透过率约为9.5％；当m值在大于18nm时峰值透过率下降到约6.7％。当m值为30nm时长波段的透过率有一定的下降，降幅不大，最终确定m值为28nm。其次对下层GaAs条状材料高度t进行仿真。设置的变化范围为45nm-85nm，步长为4nm。从图13中的对比图可以看出，在小于500nm的短波中变化幅度很小几乎可以忽略不计，平均透过率约为2.4％，248nm处的峰值透过率在6.5％左右。随着高度t值的增加，截止波段持续拉伸，同时长波段侧的拐点值不断升高。截止波段由t＝45nm时的约521nm-900nm拉伸至t＝85nm处的约528nm-931nm；长波段侧的拐点值由约87.8％升高至约93.1％，与此同时处于拐点值附近的近红外波段的平均透过也随之升高，中红外波段的透过率值几乎不受影响。最终确定下层GaAs条状材料高度t值为57nm。
下层GaAs条状材料宽度m及高度t确定后，最后改变上层GaAs条状材料宽度n和高度d的值，研究其对滤光片性能的影响，分析方法及步骤同上。
首先改变上层结构的宽度n值，变化过程如图14所示。n值的变化范围设置在15nm-35nm，步长为2nm。在小于等于19nm的宽度下，短波段的透过率图谱出现3个峰值并且图像杂乱，平均透过率在6％以上，最高尖峰位于约462nm处，峰值约为9.1％。但此时截止波长十分短，约为526nm-750nm，截止斜率十分陡峭，同时长波段的平均透过率较高，平均透过率约为91％。如图14中黑色线显示。当n值大于19nm时短波段处只出现一个尖峰，短波段透过率降低，平均透过率在2.4％左右，峰值在约248nm处，峰值透过率约为6.6％。截止波长相对拉长，从526nm拉伸至约894nm，同时长波段的透过率相对较低，不过降幅不大，在控制范围内。n值确定为25nm。最后对上层条状GaAs的高度d进行仿真分析，变化过程如图15所示。d值变化范围设置在60nm-98nm，步长为4nm。总体而言，随着d值的增加，短波段的平均透过率下降。在约248nm处的峰值呈波动升高，由最低的约6.6％上升至约7.5％，在约280nm-440nm波段的透过率总体下降，从约2.4％下降到约0.9％。截止波段也随d值的增加而拉伸同时截止斜率有变缓的趋势，不过变化不大在误差范围内。长波段的凹陷及平均透过率变化很小，可以忽略不计。最终d值定为68nm。
经过对上述的几何参数加以分析可以看出，阵列周期p和GaAs圆球半径r对亚波长三维立体结构的透过率影响较大。总体而言滤光片结构的大小和GaAs圆球半径的大小对入射光的反射率及米氏共振的影响很大，可以直接影响滤光片的性能，因此需要通过大量的仿真不断优化参数p和参数r，找到最佳平衡点。过渡层的厚度b对整体结构影响不大。而通过上下立体结构的“井”字形条状GaAs的宽度以及高度的变化对整体性能进行微小的调节，以期达到最佳的透过率和截止斜率。通过以上的参数变化趋势，可以发现阵列周期p与GaAs圆球半径r是测量误差范围的重点。
在对滤光片进行制造来应用于实际生活时，对于误差的测量与矫正、以及对最终透过效果的预期估量是必不可少的。在本发明所设计的滤光片中，当工作在200nm-6000nm时，通过参数分析，阵列周期p和GaAs圆球半径r对于最终成像效果的影响尤为强烈，而过渡层厚度b，下层GaAs条状材料宽度m,下层GaAs条状材料高度t；上层GaAs条状材料宽度n，上层GaAs条状材料高度d的影响与前者相比微乎其微。因此，在给出合适的参数后，测量这些参数的误差范围尤为重要。
如图16所示，在图像16的(a)中，当上述其他参数固定不变时，只改变阵列周期p，将工作波段的变化范围设置为185nm-195nm，步长为1nm。变化过程如图16的(a)所示。在图16的(b)中，在p值为188nm处，长波段凹陷较深，平均透过率不足90％，明显超出允许误差范围。如图16的(d)显示，在193nm波段处短波段峰值强度偏高，超过7％，平均透过率超过3％，同样超出允许误差。综合短波段的平均透过率和峰值透过率以及长波段的平均透过率和凹陷处的最低透过率，在p值为190nm时可以很好的平衡四者关系，如图16的(c)显示。
如图17所示，在图像17的(a)中，当上述其他参数固定不变时，只改变r，将其从66nm以1nm为步长增加到74nm时，工作波段的平均透过率总体呈现下降趋势。其中短波段处的峰值从r值为66nm时的约7％下降到74nm时的不到5％，同时在900nm至2000nm处的凹陷程度随着半径r的增加逐渐加深。对应的68nm、70nm、71nm处反射率如图17的(b)、(c)、(d)所示，为在工作波段发生误差范围内的变化。综合分析，小于68nm的r值会导致短波段透过率较高，大于71nm导致长波段凹陷加深。
因此，在固定参数为阵列周期p＝190nm，GaAs球体半径r＝70nm，可以取得最好的透过率，此时在200nm-450nm的短波平均透过率在2.5％左右，峰值透过率控制在约6.6％；长波段平均透过率在90％左右，最低凹陷处透过率控制在约87.7％。在本次误差分析中，尤其要注意的一点是，以上参数的改变是以其它参数的固定不变，单个参数的调试为基础而进行的模拟。而当多个参数同时发生偏差时，整体透过率有可能会发生较大的变化。
因此可以确定，在实际生产制造中，各参数的理想值为：阵列周期p＝190nm，过渡层厚度b＝130nm，GaAs球体半径r＝70nm，下层GaAs条状材料宽度m＝28nm,下层GaAs条状材料高度t＝57nm，上层GaAs条状材料宽度n＝25nm，上层GaAs条状材料高度d＝68nm。单独改变单个参数时，p变化范围为188nm-193nm，而r变化范围为68nm-71nm。当在参数在这些范围内时，工作波段始终为200nm-6000nm。
综上所述，由于过渡层厚度b、下层条状GaAs宽度m、下层GaAs条状材料高度t、上层GaAs条状材料宽度n、上层GaAs条状材料高度d的影响较小，因此最终可以作长波通滤光片的误差范围为：阵列周期p为188nm-193nm；GaAs圆球半径r为68nm-71nm；过渡层厚度b为120nm-140nm；下层GaAs条状材料宽度m为20nm-28nm，下层GaAs条状材料高度t为53nm-65nm；上层GaAs条状材料宽度n为21nm-27nm，上层GaAs条状材料高度d为64nm-72nm。整体工作范围为200nm-6000nm，在工作波段内为滤除紫外光透过红外光的长波通滤光片。在200nm-450nm的短波段平均透过率在2.5％-2.8％之间浮动,短波段峰值透过率在6.4％-6.8％之间浮动。在900nm-6000nm长波段平均透过率在89.6％-90.9％之间浮动，最低凹陷处透过率在87.7％-88.6％之间浮动。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于超表面阵列结构的长波通滤光片，其特征在于，包括基底、过渡层以及超表面结构三层；每个阵列单元的所述超表面结构由两部分组成，第一部分为由GaAs条状材料堆叠而成的呈上下立体的“井”字型结构，该部分的条状材料平均的分布在过渡层中心点的左右各1/4处；第二部分为镶嵌在过渡层中并且球心与过渡层中心点重合的GaAs圆球。
2.根据权利要求1所述的基于超表面阵列结构的长波通滤光片，其特征在于，阵列周期p为188nm-193nm。
3.根据权利要求1所述的基于超表面阵列结构的长波通滤光片，其特征在于，GaAs圆球半径r为68nm-71nm。
4.根据权利要求1所述的基于超表面阵列结构的长波通滤光片，其特征在于，过渡层厚度b为120nm-140nm。
5.根据权利要求1所述的基于超表面阵列结构的长波通滤光片，其特征在于，“井”字型结构的下层GaAs条状材料宽度m为20nm-28nm，下层GaAs条状材料高度t为53nm-65nm。
6.根据权利要求1所述的基于超表面阵列结构的长波通滤光片，其特征在于，上层GaAs条状材料宽度n为21nm-27nm，上层GaAs条状材料高度d为64nm-72nm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110482639.8A CN113189689B (zh) | 2021-04-30 | 2021-04-30 | 一种基于超表面阵列结构的长波通滤光片 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110482639.8A CN113189689B (zh) | 2021-04-30 | 2021-04-30 | 一种基于超表面阵列结构的长波通滤光片 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113189689A CN113189689A (zh) | 2021-07-30 |
| CN113189689B true CN113189689B (zh) | 2022-04-22 |
Family
ID=76983302
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110482639.8A Active CN113189689B (zh) | 2021-04-30 | 2021-04-30 | 一种基于超表面阵列结构的长波通滤光片 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113189689B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113466158B (zh) * | 2021-08-12 | 2024-05-17 | 江苏省计量科学研究院(江苏省能源计量数据中心) | 一种滤光片计量性能快速检测方法 |
| CN114114770A (zh) * | 2021-11-17 | 2022-03-01 | 武汉大学 | 基于液晶基超表面的超薄空间光调制器 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2961913B1 (fr) * | 2010-06-29 | 2013-03-08 | Centre Nat Rech Scient | Filtre spectral avec membrane structuree a l'echelle sub-longueur d'onde et methode de fabrication d'un tel filtre |
-
2021
- 2021-04-30 CN CN202110482639.8A patent/CN113189689B/zh active Active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 《Large effective aperture metalens based on optical sparse aperture system》;Tiecheng Liu;《CHINESE OPTICS LETTERS》;20201031;第18卷(第10期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113189689A (zh) | 2021-07-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113189689B (zh) | 一种基于超表面阵列结构的长波通滤光片 | |
| CN111158070B (zh) | 一种基于全介质超表面的双层消色差透镜 | |
| CN103217730B (zh) | 一种渐变光学厚度窄带负滤光片膜系 | |
| CN110146949B (zh) | 一种窄带光谱滤波结构及其制作方法 | |
| CA2754619C (en) | Glare management of reflective and thermoreflective surfaces | |
| US20110085232A1 (en) | Multi-spectral filters, mirrors and anti-reflective coatings with subwavelength periodic features for optical devices | |
| CN101266309A (zh) | 具有宽的低反射旁通带的单峰窄带反射滤光片 | |
| CN104570184A (zh) | 一种可集成窄带微型滤光器 | |
| WO2019024572A1 (zh) | 抗反射结构、显示装置及抗反射结构制作方法 | |
| CN104777532A (zh) | 基于级联光栅结构的超窄带te偏振光谱选择性吸收器 | |
| CN111610649B (zh) | 一种窄带超表面器件 | |
| CN111344604A (zh) | 光学体 | |
| Zakirullin | An optical filter with angular selectivity of the transmittance | |
| CN103728275B (zh) | 基于光学Tamm态等离激元的光折射率传感器 | |
| CN101266312B (zh) | 具有宽的低反射旁通带的多峰窄带反射滤光片 | |
| CN102320164A (zh) | 一种用于激光变角度入射的多层介质高反射膜 | |
| US6271968B1 (en) | Cut-off filters | |
| CN109442772B (zh) | 一种提高太阳能的吸收利用效率的方法 | |
| CN113325504B (zh) | 一种多重纳米柱阵列长波通滤光片 | |
| CN109521505B (zh) | 一种光学吸收多层膜 | |
| US20220026613A1 (en) | Wire grid polarizer reflection control | |
| Greisukh et al. | Comparative analysis estimates for two-relief microstructure diffraction efficiency in the visible and dual-infrared ranges in the framework of scalar and rigorous diffraction theories | |
| CN117348125B (zh) | 具有泄漏模共振效应的蛾眼增透结构 | |
| CN114879386B (zh) | 基于金字塔螺旋线阵列超材料的自旋光子传输调控器件 | |
| CN215415969U (zh) | 一种基于四元Rudin-Shapiro光子晶体的光子带阻滤波器结构 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |