CN114384621B - 一种基于双等离激元共振的角度不敏感窄带滤波器 - Google Patents

一种基于双等离激元共振的角度不敏感窄带滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双等离激元共振的角度不敏感窄带滤波器，器件结构自下而上由衬底、金属光栅层、介质隔离层、金属层、介质隔离层、金属光栅层、包覆层组成。本发明利用上下同频等离子激元共振的耦合效应，能让特定波长的入射光透射，而其他波长的光则会被金属层反射，构成窄带滤波器。并且，由于激发等离子激元共振的边界条件是偶极子边界条件，与入射角度无关，因此该滤波器有极好的角度不敏感特性，解决了传统窄带滤波器的带通峰位随入射角度敏感变化的难题。

Description

一种基于双等离激元共振的角度不敏感窄带滤波器
技术领域
本发明涉及光学滤波器领域，具体涉及一种角度不敏感滤波器。
背景技术
窄带滤波器是一种只允许透过单一波长光的滤波器，它在整个光谱学领域和光通讯领域都有着举足轻重的地位。
目前，市面上最常见的滤波器为Fabry-Perot(F-P)滤波器，它由上下两块反射镜和中间的介质腔层组成。当入射光的波长满足共振条件时，其透射谱会出现很高的峰值，对应着很高的透射率，而其他波长的光则会被反射，最终形成窄带透过。然而，当入射光的角度增大时，F-P滤波器的腔层等效长度变短，导致透射中心波长蓝移。譬如，对于中心峰位在800nm的M-I-M结构的F-P滤波器而言(M为40nm厚度的银层、I为230nm厚度的二氧化硅层)，当入射角度由0°变为30°时，其透射峰位将蓝移40nm，很可能就移出了其原先的带通范围，形成杂光干扰甚至获取不到特定波段的信号，严重限制了窄带滤波器的应用范围。
随着微纳光学的进一步发展，一些基于超材料的窄带滤波器相继出现，如导模共振光栅、二维光子晶体平板、金属等离激元滤波器等等。然而这些滤波器依然无法解决对入射光角度敏感的难题，即当入射角度发射变化的时候，出射的窄带光的波长或者能量强度将随之发生剧烈变化。这使得这些滤波器只能在小视场角下使用，严重限制了窄带滤波器的应用范围，尤其是在光谱检测设备微型化的当下。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种基于双等离激元共振的角度不敏感窄带滤波器。该滤波器利用上下同频等离子激元共振的耦合效应，能让特定波长的入射光透射，而其他波长的光则会被金属层反射。并且，由于激发等离子激元共振的边界条件是偶极子边界条件，与入射角度无关，因此该滤波器具有极好的角度不敏感特性，很好地解决了传统窄带滤波器的角度敏感性难题。
所述的窄带滤波器的结构自下而上依次为：衬底1，第一金属光栅2，第一介质隔离层3，金属层4，第二介质隔离层5，第二金属光栅6，保护层7。
所述的衬底1根据窄带滤波器的透射波段选择，可见波段可选光学玻璃、石英、宝石等衬底；红外波段可选硅、锗、硫化锌、氟化钙等衬底。
所述的第一金属光栅2可以是一维金属光栅，也可以是二维金属光栅。其单个金属单元的俯视图形状包括但不限于：方块、圆盘、矩形、三角形、六边形。其单个金属单元的正视图形状包括但不限于：矩形、梯形、三角形、六边形。其材料包括但不限于以下金属及其合金：Ag、Au、Al、Cu、Fe、Pt、Cr、Zn、Li、Na、K、Rb、Mn。其宽度范围为10～5000nm；其厚度范围为10～2000nm。可选的，第一金属光栅2中每一个小金属单元都是独立的，每个小金属单元的形状、大小、间距均可以调整。
所述的第一介质隔离层3将第一金属光栅2与金属层4隔离开，厚度范围为1～1000nm。第一介质隔离层3的材料需对滤波器透射波段透明，包括但不限于：Si、Ge、Ta2O5、TiO2、Nb2O5、Bi2O3、CdS、CdTe、CeO2、CdSe、Cr2O3、金刚石、Dy2O3、Fe2O3、GaAs、HfO2、Ho2O3、InAs、InSb、In2O3、PbTe、PbCl2、PbF2、Se、Sb2O3、Sb2S3、SnO2、Si3N4、Te、ZnO、ZnSe、SiO、ZnS、SiO2、Al2O3、AlOxNy、AlF3、BiF3、BaF2、CaF2、CeF3、CsBr、CsI、Eu2O3、Gd2O3、LiF、LaF3、La2O3、MgF2、MgO、NaF、Na3Al3F6、Nd2O3、NdF3、Pr6O11、Sc2O3、SrF2、SmF3、Sm2O3、ThF4、YbF3、Y2O3、ZrO2，根据不同的滤波器透射波段进行选择。
所述的金属层4厚度的范围为10～100nm。其材料包括但不限于以下金属及其合金：Ag、Au、Al、Cu、Fe、Pt、Cr、Zn、Li、Na、K、Rb、Mn。
所述的第二介质隔离层5的厚度范围为1～1000nm。第二介质隔离层5的材料需对滤波器透射波段透明，包括但不限于：Si、Ge、Ta2O5、TiO2、Nb2O5、Bi2O3、CdS、CdTe、CeO2、CdSe、Cr2O3、金刚石、Dy2O3、Fe2O3、GaAs、HfO2、Ho2O3、InAs、InSb、In2O3、PbTe、PbCl2、PbF2、Se、Sb2O3、Sb2S3、SnO2、Si3N4、Te、ZnO、ZnSe、SiO、ZnS、SiO2、Al2O3、AlOxNy、AlF3、BiF3、BaF2、CaF2、CeF3、CsBr、CsI、Eu2O3、Gd2O3、LiF、LaF3、La2O3、MgF2、MgO、NaF、Na3Al3F6、Nd2O3、NdF3、Pr6O11、Sc2O3、SrF2、SmF3、Sm2O3、ThF4、YbF3、Y2O3、ZrO2。根据不同的滤波器透射波段进行选择。
所述的第二金属光栅6可以是一维金属光栅，也可以是二维金属光栅。其单个金属单元的俯视图形状包括但不限于：方块、圆盘、矩形、三角形、六边形。其单个金属单元的正视图形状包括但不限于：矩形、梯形、三角形、六边形。其材料包括但不限于以下金属及其合金：Ag、Au、Al、Cu、Fe、Pt、Cr、Zn、Li、Na、K、Rb、Mn。其宽度范围为10～5000nm；所述的第二金属光栅6的厚度范围为10～2000nm。可选的，第一金属光栅2中每一个小金属单元都是独立的，每个小金属单元的形状、大小、间距均可以调整。
所述的保护层7为介质层，目的是保护第二金属光栅6。所述的保护层7可以选择去掉。
由所述的衬底1、第一金属光栅2、第一介质隔离层3、金属层4组成的结构的等离激元共振频率和所述的金属层4、第二介质隔离层5、第二金属光栅6、保护层7组成的结构的等离激元共振频率相同。第一金属光栅2不要求与第二金属光栅6相同；第一介质隔离层3不要求和第二介质隔离层5相同。
可选的，在衬底1背面增加增透膜，以提高滤波器的透过率。
本发明的窄带滤波器的优点如下：
1、由于本发明利用金属的层间偶极子共振耦合诱导透射的方法，因此无论是透射率还是透射峰位对角度都不敏感，在60°角度内基本保持不变。
2、结构简单、层数少、总厚度薄，易于与探测器集成。
下面结合附图和具体实施方式进行进一步说明。
附图说明
图1为基于双等离激元共振的角度不敏感窄带滤波器的结构示意图。
图2为本发明实施例1～4的基于双等离激元共振的角度不敏感窄带滤波器的示意图。其中，图(a)为本发明实施例1～4的基于双等离激元共振的角度不敏感窄带滤波器的正视图；图(b)为本发明施例1～4的基于双等离激元共振的角度不敏感窄带滤波器的侧视图；图(c)为本发明实施例1～4的基于双等离激元共振的角度不敏感窄带滤波器的俯视图。
图3为本发明实施例1的基于双等离激元共振的角度不敏感窄带滤波器的透过率谱图。其中，图(a)为本发明实施例1的基于双等离激元共振的角度不敏感窄带滤波器的P光在不同角度下的透射谱；图(b)为本发明实施例1的基于双等离激元共振的角度不敏感窄带滤波器的S光在不同角度下的透射谱。
图4为本发明实施例2的基于双等离激元共振的角度不敏感窄带滤波器的透过率谱图。其中，图(a)为本发明实施例2的基于双等离激元共振的角度不敏感窄带滤波器的P光在不同角度下的透射谱；图(b)为本发明实施例2的基于双等离激元共振的角度不敏感窄带滤波器的S光在不同角度下的透射谱。
图5为本发明实施例3的基于双等离激元共振的角度不敏感窄带滤波器的透过率谱图。其中，图(a)为本发明实施例3的基于双等离激元共振的角度不敏感窄带滤波器的P光在不同角度下的透射谱；图(b)为本发明实施例3的基于双等离激元共振的角度不敏感窄带滤波器的S光在不同角度下的透射谱。
图6为本发明实施例4的基于双等离激元共振的角度不敏感窄带滤波器的透过率谱图。其中，图(a)为本发明实施例4的基于双等离激元共振的角度不敏感窄带滤波器的P光在不同角度下的透射谱；图(b)为本发明实施例4的基于双等离激元共振的角度不敏感窄带滤波器的S光在不同角度下的透射谱。
图7为本发明实施例5的基于双等离激元共振的角度不敏感窄带滤波器的示意图。其中，图(a)为本发明实施例5的基于双等离激元共振的角度不敏感窄带滤波器的正视图；图(b)为本发明施例5的基于双等离激元共振的角度不敏感窄带滤波器的侧视图；图(c)为本发明实施例5的基于双等离激元共振的角度不敏感窄带滤波器的俯视图。
图8为本发明实施例5的基于双等离激元共振的角度不敏感窄带滤波器的透过率谱图。其中，图(a)为本发明实施例5的基于双等离激元共振的角度不敏感窄带滤波器的P光在不同角度下的透射谱；图(b)为本发明实施例5的基于双等离激元共振的角度不敏感窄带滤波器的S光在不同角度下的透射谱。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
在本实施例中，我们将展示在近红外波段下的基于一维金属光栅的角度不敏感窄带滤波器。
窄带滤波器的结构如图2所示，从下往上依次为：衬底1，选用材料为石英衬底；一维Au光栅2，周期为110nm，厚度为20nm，银宽度为89nm，填充介质为SiO2；第一介质隔离层3，选用材料为SiO2，厚度为5nm；金属层4，选用材料为Ag，厚度为40nm；第二介质隔离层5，选用材料为SiO2，厚度为5nm；一维Au光栅6，周期为110nm，厚度为20nm，银宽度为90nm，填充介质为SiO2；保护层7选用材料为SiO2，厚度为10nm。入射方向如图2(a)所示，与垂直线夹角为θ。P光定义为电场方向平行于图2(a)所示平面的光，S光定义为电场方向垂直于图2(a)所示平面的光。
其透射谱如图3所示，其中图3(a)是P光的透过率，图3(b)是S光的透过率。由于我们采用的是一维光栅结构，因此整个滤波器还具有偏振选择特性。对于P光而言，在1.3μm处形成窄带透射，窄带峰透过率为57％，半峰宽为150nm，在入射角度为0～40°时，其透过率和峰位均无明显变化，当入射角度为60°时，峰位仅偏移10nm，透过率仅下降5％，具有很好的角度不敏感特性；对于S光而言，其形成高反射层，在P光峰值处的透过率仅为4×10-4，该器件的偏振选择比高达1500。
实施例二
在实施例一中，我们展示了近红外的角度不敏感滤波器的设计。实际上，通过合理改变一维光栅2和一维光栅6的宽度、厚度、周期等因素，我们可设计不同波段下的角度不敏感滤波器。
在本实施例中，我们将展示在可见波段的基于一维金属光栅的角度不敏感窄带滤波器。
窄带滤波器的结构如图2(a)所示，从下往上依次为：衬底1，选用材料为石英衬底；一维Au光栅2，周期为20nm，厚度为10nm，银宽度为10nm，填充介质为SiO2；第一介质隔离层3，选用材料为SiO2，厚度为10nm；金属层4，选用材料为Ag，厚度为50nm；第二介质隔离层5，选用材料为SiO2，厚度为10nm；一维Au光栅6，周期为20nm，厚度为10nm，银宽度为10nm，填充介质为SiO2；保护层7选用材料为SiO2，厚度为20nm。入射方向如图2(a)所示，与垂直线夹角为θ。P光定义为电场方向平行于图2(a)所示平面的光，S光定义为电场方向垂直于图2(a)所示平面的光。
其透射谱如图4所示，其中图4(a)是P光的透过率，图4(b)是S光的透过率。由于我们采用的是一维光栅结构，因此整个滤波器还具有偏振选择特性。对于P光而言，在460nm处形成窄带透射，窄带峰透过率为28％，半峰宽为15nm。在入射角度为0～20°时，其透过率和峰位均无明显变化；当入射角度为40°时，峰位仅偏移0.5nm，透过率仅下降7％；当入射角度为60°时，峰位仅偏移2nm，透过率下降18％，具有很好的角度不敏感特性；对于S光而言，其形成高反射层，在P光峰值处的透过率仅为0.02，该器件的偏振选择比为14。
实施例三
在本实施例中，我们将展示在中红外波段的基于一维金属光栅的角度不敏感窄带滤波器。
窄带滤波器的结构如图2(a)所示，从下往上依次为：衬底1，选用材料为CaF2衬底；一维Ag光栅2，周期为1.50μm，厚度为1.50μm，银宽度为1μm，填充介质为CaF2；第一介质隔离层3，选用材料为CaF2，厚度为10nm；金属层4，选用材料为Ag，厚度为20nm；第二介质隔离层5，选用材料为CaF2，厚度为10nm；一维Ag光栅6，周期为1.50μm，厚度为1.50μm，银宽度为1μm，填充介质为CaF2；保护层7选择去掉。入射方向如图2(a)所示，与垂直线夹角为θ。P光定义为电场方向平行于图2(a)所示平面的光，S光定义为电场方向垂直于图2(a)所示平面的光。
其透射谱如图5所示，其中图5(a)是P光的透过率，图5(b)是S光的透过率。由于我们采用的是一维光栅结构，因此整个滤波器还具有偏振选择特性。对于P光而言，在6.2μm处形成带通透射，带通峰透过率为29％，宽宽为2μm。在入射角度为0～20°时，其透过率和峰位均无明显变化；当入射角度为40°时，峰位仅偏移24nm，透过率仅下降8％；当入射角度为60°时，峰位仅偏移60nm，透过率下降19％，具有较好的角度不敏感特性；对于S光而言，其形成高反射层，在P光峰值处的透过率仅为10-13，该器件的偏振选择比高达120dB。
实施例四
在红外波段，由于波长相比可见长很多，因此可以各种参数可以调控的范围也会增大很多。
在本实施例中，我们将展示另一种在中红外波段的基于一维金属光栅的角度不敏感窄带滤波器。
窄带滤波器的结构如图2(a)所示，从下往上依次为：衬底1，选用材料为CaF2衬底；一维Ag光栅2，周期为2.0μm，厚度为100nm，银宽度为1.5μm，填充介质为CaF2；第一介质隔离层3，选用材料为CaF2，厚度为100nm；金属层4，选用材料为Ag，厚度为25nm；介质隔离层5，选用材料为CaF2，厚度为100nm；一维Ag光栅6，周期为2.0μm，厚度为100nm，银宽度为1.5μm，填充介质为CaF2；保护层7选择去掉。入射方向如图2(a)所示，与垂直线夹角为θ。P光定义为电场方向平行于图2(a)所示平面的光，S光定义为电场方向垂直于图2(a)所示平面的光。
其透射谱如图6所示，其中图6(a)是P光的透过率，图6(b)是S光的透过率。由于我们采用的是一维光栅结构，因此整个滤波器还具有偏振选择特性。对于P光而言，在6.0μm处形成窄带透射，峰值透过率为48％，宽宽为1.1μm。在入射角度为0～40°时，其透过率和峰位均无明显变化；当入射角度为60°时，峰位仅偏移30nm，透过率下降3％，具有极好的角度不敏感特性；对于S光而言，其形成高反射层，在P光峰值处的透过率仅为10-6，该器件的偏振选择比高达55dB。
实施例五
在本实施例中，我们展示基于二维金属光栅的角度不敏感窄带滤波器。
窄带滤波器的结构如图2所示，从下往上依次为：衬底1，选用材料为石英衬底；二维Ag方形光栅2，周期为150nm，厚度为30nm，边长为99nm，填充介质为SiO2；第一介质隔离层3，选用材料为SiO2，厚度为10nm；金属层4，选用材料为Ag，厚度为40nm；第二介质隔离层5，选用材料为SiO2，厚度为10nm；二维Ag方形光栅6，周期为150nm，厚度为30nm，边长为100nm，填充介质为SiO2；保护层7选用材料为SiO2，厚度为10nm。入射方向如图7(a)所示，与垂直线夹角为θ。P光定义为电场方向平行于图7(a)所示平面的光，S光定义为电场方向垂直于图7(a)所示平面的光。
其透射谱如图8所示，其中图8(a)是P光的透过率，图8(b)是S光的透过率。由于我们采用的是二维光栅结构，因此整个滤波器不具有偏振选择特性。对于P光而言，在1.12μm处形成窄带透射，窄带峰透过率为51.3％，半峰宽为180nm，在入射角度为0～40°时，其透过率和峰位均无明显变化，当入射角度为60°时，峰位偏移25nm，透过率下降11％；对于S光而言，当入射角度为60°时，峰位仅偏移7nm，透过率上升4％。该器件具有很好的角度不敏感特性。

Claims (3)

1.一种基于双等离激元共振的角度不敏感窄带滤波器，其特征在于:
所述的窄带滤波器的结构自下而上依次为：衬底(1)，第一金属光栅(2)，第一介质隔离层(3)，金属层(4)，第二介质隔离层(5)，第二金属光栅(6)，保护层(7)；
所述的第一金属光栅(2)是一维金属光栅，或二维金属光栅，宽度范围为10～5000nm，厚度范围为10～2000nm；
所述的第二金属光栅(6)是一维金属光栅，或二维金属光栅，宽度范围为10～5000nm，厚度的范围为10～2000nm；
所述的第一介质隔离层(3)的厚度的范围为1～1000nm；
所述的第二介质隔离层(5)的厚度的范围为1～1000nm；
所述的金属层(4)的厚度的范围为10～100nm；
所述的保护层(7)为介质层；
由所述的衬底(1)、第一金属光栅(2)、第一介质隔离层(3)、金属层(4)组成的结构的等离激元共振频率和所述的金属层(4)、第二介质隔离层(5)、第二金属光栅(6)、保护层(7)组成的结构的等离激元共振频率相同。
2.根据权利要求1所述的一种基于双等离激元共振的角度不敏感窄带滤波器，其特征在于：所述的第一金属光栅(2)和第二金属光栅(6)中每一个小金属单元都是独立的，每个小金属单元的形状、大小、间距均可以调整。
3.根据权利要求1所述的一种基于双等离激元共振的角度不敏感窄带滤波器，其特征在于：所述的窄带滤波器无保护层(7)，其结构自下而上依次为：衬底(1)，第一金属光栅(2)，第一介质隔离层(3)，金属层(4)，第二介质隔离层(5)，第二金属光栅(6)。
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