CN113311521B - 一种实现双波段分光锥形环阵列滤光器结构设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学领域，特别是涉及一种实现双波段分光锥形环阵列滤光器结构设计方法，针对现有的圆环形结构共振强度低，吸收波段少的问题，设计一种基于锥形环阵列的纳米金属结构来增强表面等离子体共振效果，最终能够实现可见光和近红外光波段的选频，从而为滤光器的制备提供一种技术手段；S1确定滤光器结构；S2滤光器所依赖的理论依据；S3参数调控。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，特别是涉及一种实现双波段分光锥形环阵列滤光器结构设计方法。
背景技术
表面等离激元滤光器是利用金属与表面自由电子相互作用引发的自由电荷集体震荡所设计的一类结构型滤光器，在其传感器、液晶显示和超分辨成像等领域都有着广泛的应用。目前采用有机染料制备的滤光器存在着诸多限制，比如在高温和紫外线照射下易分解、有机染料分子要分层制备，流程复杂等。而表面等离激元滤光器仅仅通过调制其物理结构的参数就可以方便地改变滤出颜色，且不会受到高温或者紫外光照射的影响而丧失选频特性。同时，金属表面等离子体的特性也使器件的尺寸可以做到非常薄，克服了有机染料分子的诸多缺点。
目前国内外所研究的表面等离激元滤光器结构主要有：金属-绝缘体-金属结构(MIM)、金属纳米孔洞结构、纳米柱结构等。通过改变纳米结构的相关参数(如金属层厚度、周期、孔径等)来实现对不同入射光波长的选频，从而产生不同的颜色。然而随着金属纳米结构制备水平的提高，对于滤光器件的要求也越来越高。而现有的滤光器件仍然存在一些问题，例如MIM腔结构滤光器容易受偏振角度的影响，对偏振较敏感；纳米孔或柱结构反射强度不够高，共振强度弱，究其原因是金属表面等离激元的共振增强效果较弱，从而影响了不同光波段的选频，导致滤光效果较低。因此，亟需一种新型的表面等离激元滤光器结构来增强共振效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实现双波段分光锥形环阵列滤光器结构设计方法，针对现有的圆环形结构共振强度低，吸收波段少的问题，设计一种基于锥形环阵列的纳米金属结构来增强表面等离子体共振效果，最终能够实现可见光和近红外光波段的选频，从而为滤光器的制备提供一种技术手段。
本发明的一种实现双波段分光锥形环阵列滤光器结构设计方法，包括以下步骤：
S1确定滤光器结构：所述滤光器结构为双层结构，底层为石英基底，顶层为180nm厚的金膜，在金膜内部刻有锥形环阵列；
S2滤光器所依赖的理论依据：当一束自然光照射在该金属结构上时，特定波长的光会与金膜相互作用并在其表面产生表面等离激元(SPP)，当光波(电磁波)入射到金属与电介质分界面时，金属表面的自由电子发生集体振荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波，如果电子的振荡频率与入射光波的频率一致就会产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，这时就形成了一种特殊的电磁模式:电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强,SPP的波矢kspp满足以下条件：
其中，εd和εm为电介质和金属的介电常数，ω为入射光的振动频率，c为光速；
在其锥形环的顶端和底部会发生两种模式的表面等离子体共振，其中发生在空气-金属界面顶端上的共振模式称为CSPs(cylindrical surface plasmons)，该模式满足以下条件：
其中L为法布里-珀罗腔的长度，kspp(ω)为共振模式的波矢，
和
是在腔的任一面上发生共振所反射的相移，m是模数；
另一种发生在金属-基底界面上底端的共振模式称为PSPs(planar surfaceplasmons)，其共振模式满足以下条件：
其中λ为发生共振时的入射光波长，P为锥形环阵列周期，εd和εm分别为电介质和金属的介电常数，i和j为锥形环阵列的散射级次；
当入射光的波长满足上述条件时，在金属表面会发生表面等离子体共振，通过改变锥形环的倾斜角度，可以使反射率光谱发生偏移；而改变锥形环的周期，可以提高光谱的反射强度，表现为金属表面局部电磁场增强，使发生SPP时特定波长的光反射率增强，从而使滤光器反射特定波长范围的光，实现滤光效果；
S3参数调控：利用COMSOL Multiphysics软件对所设计结构进行仿真验证，通过对所设计结构相关参数进行调控，例如倾斜角度、周期、孔径，以实现对滤光器性能的最优控制。
本发明的一种实现双波段分光锥形环阵列滤光器结构设计方法，其特征在于，所述步骤S1中单个锥形环最佳倾斜角度为0°-40°，最佳周期范围800nm-1000nm，最佳孔径范围10nm-20nm。
与现有技术相比本发明的有益效果为：(1)可以进行两个波段的选频。对于可见光区600nm-800nm和近红外区1200nm-1400nm，随着锥形环倾斜角度的增加，反射率曲线发生红移现象。可以对可见光区和近红外区进行分光。
(2)反射率有所提高，共振强度增加。在周期为800nm时的反射率最高大约为75％，而随着阵列周期的增加，反射率逐渐增加，最高达90％。并且可见光波段共振强度随倾斜角度的增加而增大，而近红外波段共振强度不受影响。孔径影响反射率曲线的偏移和强度，在10nm-20nm范围内效果最优。
附图说明
图1是锥形环三维结构主视图；
图2是锥形环三维结构俯视图；
图3是锥形环电场仿真图；
图4是锥形环反射率光谱及局部仿真图；
图5是锥形环周期对其反射率光谱影响仿真图；
图6是锥形环孔径对其反射率光谱影响仿真图；
附图中标记：1、金膜；2、锥形圆环；3、石英基底。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例
如图1至图6所示，本发明的一种实现双波段分光锥形环阵列滤光器结构设计方法,包括以下步骤：
S1确定滤光器结构：所述滤光器结构为双层结构，底层为石英基底，顶层为180nm厚的金膜，在金膜内部刻有锥形环阵列；
S2滤光器所依赖的理论依据：当一束自然光照射在该金属结构上时，特定波长的光会与金膜相互作用并在其表面产生表面等离激元(SPP)，当光波(电磁波)入射到金属与电介质分界面时，金属表面的自由电子发生集体振荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波，如果电子的振荡频率与入射光波的频率一致就会产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，这时就形成了一种特殊的电磁模式:电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强,SPP的波矢kspp满足以下条件：
其中，εd和εm为电介质和金属的介电常数，ω为入射光的振动频率，c为光速；
在其锥形环的顶端和底部会发生两种模式的表面等离子体共振，其中发生在空气-金属界面顶端上的共振模式称为CSPs(cylindrical surface plasmons)，该模式满足以下条件：
其中L为法布里-珀罗腔的长度，kspp(ω)为共振模式的波矢，
和
是在腔的任一面上发生共振所反射的相移，m是模数；
另一种发生在金属-基底界面上底端的共振模式称为PSPs(planar surfaceplasmons)，其共振模式满足以下条件：
其中λ为发生共振时的入射光波长，P为锥形环阵列周期，εd和εm分别为电介质和金属的介电常数，i和j为锥形环阵列的散射级次；
当入射光的波长满足上述条件时，在金属表面会发生表面等离子体共振，通过改变锥形环的倾斜角度，可以使反射率光谱发生偏移；而改变锥形环的周期，可以提高光谱的反射强度，表现为金属表面局部电磁场增强，使发生SPP时特定波长的光反射率增强，从而使滤光器反射特定波长范围的光，实现滤光效果；
S3参数调控：利用COMSOL Multiphysics软件对所设计结构进行仿真验证，通过对所设计结构相关参数进行调控，例如倾斜角度、周期、孔径，以实现对滤光器性能的最优控制。
从图3电场图可以看出，共振时电场强度局限在空气-金属和金属-基底界面上，符合两种共振模式；并且电场主要分布在锥形环边缘两侧，这是因为对于周期性结构来说，产生的表面等离激元是相邻的金属结构相互作用并最终局域在锥形环边缘的结果；而从图4可看出随着倾斜角度的增加，反射率光谱曲线整体红移，表明倾斜角度可以作为实现滤光的控制手段，并且在600nm-800nm及1200nm-1400nm波段都发生了共振，因此可以实现两个波段的滤光。通过仿真图分析验证可知，倾斜角度影响了共振的偏移，这将对两个波长段的光产生很好的分光效果。
为了探究其他因素对于该滤光器的影响，同时对周期和孔径也进行了进一步的研究，图5为锥形环阵列周期对其反射强度的影响，随着周期的增大，反射率逐渐增加，但两种共振模式强度逐渐减弱，因此需要合理的选择阵列周期；图6为锥形环阵列孔径对其反射强度的影响，随着孔径的增大，反射曲线出现蓝移，并且在600nm-800nm波段的共振强度逐渐降低；通过分析两种因素对于滤光器性能的影响，我们得到了周期和孔径的最优范围(周期800nm-1000nm，孔径10nm-20nm)，这为该滤光器的制备提供了帮助。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种实现双波段分光锥形环阵列滤光器结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1确定滤光器结构：所述滤光器结构为双层结构，底层为石英基底，顶层为180nm厚的金膜，在金膜内部刻有锥形环阵列；
S2滤光器所依赖的理论依据：当一束自然光照射在金属结构上时，特定波长的光会与金属相互作用并在其表面产生表面等离激元，当电磁波入射到金属与电介质分界面时，金属表面的自由电子发生集体振荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波，电子的振荡频率与入射电磁波的频率一致就会产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，这时就形成了一种特殊的电磁模式：电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，SPP的波矢kspp满足以下条件：
其中，εd和εm为电介质和金属的介电常数，ω为入射光的振动频率，c为光速；
在其锥形环的顶端和底部会发生两种模式的表面等离子体共振，其中发生在空气-金属界面顶端上的共振模式称为CSPs，该模式满足以下条件：
其中L为法布里-珀罗腔的长度，kspp(ω)为共振模式的波矢，
和
是在腔的任一面上发生共振所反射的相移，m是模数；
另一种发生在金属-基底界面上底端的共振模式称为PSPs，其共振模式满足以下条件：
其中λ为发生共振时的入射光波长，P为锥形环阵列周期，εd和εm分别为电介质和金属的介电常数，i和j为锥形环阵列的散射级次；
当入射光的波长满足滤光器所依赖的理论依据时，在金膜表面会发生表面等离子体共振，通过改变锥形环的倾斜角度，可以使反射率光谱发生偏移；而改变锥形环的周期，可以提高光谱的反射强度，表现为金属表面局部电磁场增强，使发生SPP时特定波长的光反射率增强，从而使滤光器反射特定波长范围的光，实现滤光效果；
S3参数调控：利用COMSOL Multiphysics软件对所设计结构进行仿真验证，通过对所设计结构的倾斜角度、周期、孔径的参数进行调控，以实现对滤光器性能的最优控制。
2.如权利要求1所述的一种实现双波段分光锥形环阵列滤光器结构设计方法，其特征在于，所述步骤S1中单个锥形环倾斜角度为0°-40°，周期范围800nm-1000nm，孔径范围10nm-20nm。
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Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
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| CN106847849A (zh) * | 2016-12-30 | 2017-06-13 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种基于超表面窄带滤光的多光谱芯片及其制备方法 |
| CN109683219A (zh) * | 2019-03-05 | 2019-04-26 | 南华大学 | 基于周期性亚波长圆环孔阵列的表面等离子体滤光器 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 基于表面等离激元的金属复合纳米结构设计及光学特性研究;张向楠;《中国优秀硕士论文全文数据库》;20160315;7-8、22、24、26、28、56 * |
| 环形狭缝腔阵列光学特性的研究;周静;《物理学报》;20151105;227301 * |
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