CN114740561A - 一种纳米圆柱阵列长波通滤波片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米圆柱阵列长波通滤波片,包括基底,基底上刻有纳米圆孔阵列,基底上还设有纳米圆柱阵列;纳米圆孔阵列中,各纳米圆孔贯穿基底,并成矩形整列排列;纳米圆柱阵列中,各纳米圆柱底部插入到基底内,并成矩形整列排列;在垂直纳米圆孔的平面上,纳米圆孔阵列和纳米圆柱阵列在两个方向上分别交错布置。本发明的纳米圆柱阵列长波通滤波片结构中,纳米圆柱阵列主要的工作方式是吸收紫外线而透过红外线,周期性纳米圆柱阵列对紫外波段的吸收性良好,对红外波段的透过性极佳,实现了在短波段的平均透过率低于1.5%,在长波段的平均透过率达到95%以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学截止滤波器,尤其涉及一种长波通滤波片。
背景技术
光学截止滤波器用于允许特定波长的光通过,并通过吸收或者反射的方式来对特定波长的光进行阻止。目前市场上常见滤光片的制造主要使用有色玻璃、薄膜等。随着科学技术的发展,目前越来越多的滤光片设计因其优越的光学特性和物理特性而采用透明聚合物纳米复合型材料,如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
滤光片分为短通、长通,以及带通滤光片。短通滤光片即仅允许短波波段的光通过,长通滤波片即仅允许长波波段的光通过。1999年底Kim,YongGeun等人设计了一款长波通边缘滤波片,在200-800nm范围内测量牛晶体的光吸收和透射率。400nm以上的长波通区域完全透射而无吸收。此外,光吸收和透射率没有温度依赖性,长通边缘滤光片布局可以有效截止紫外线。S.M.El-Bashir等人于2017年设计了基于PVA/Rose Bengal的长通光学窗口应用。该滤光片通过浸渍了玫瑰红染料而通过通过聚合材料显现出较为优秀的光学特性。同时,2019年D.Gerz等人设计并研制了一种基于光栅衍射的大功率中红外长通滤波器,通过对光栅进行镀金硅,来实现有效波长与中红外波段的光进行分离,并保持良好的热稳定性及无色散性。2020年B,Zhou等人设计了一款基于圆柱孔纳米阵列的偏振无关高衍射效率二维光栅,此光栅相对于之前所设计出来的光栅拥有着更高的精度以及信噪比。其圆柱孔纳米孔阵列在SiO2的厚度为477nm-570nm之间有着更高的衍射效率。1997年,N.J.Arfsten等人研究出一款用于滤光片生产的角度相关镀膜技术(ADDC),该项研究是一种新型的改进的镀膜技术,各项试验表明该技术远优于传统的镀膜技术(DC)。
发明内容
发明目的:针对上述现有技术,提出一种纳米圆柱阵列长波通滤波片,实现在短波段的平均透过率低于1.5%,在长波段的平均透过率达到95%以上。
技术方案:一种纳米圆柱阵列长波通滤波片,包括基底,所述基底上刻有纳米圆孔阵列,所述基底上还设有纳米圆柱阵列;所述纳米圆孔阵列中,各纳米圆孔贯穿基底,并成矩形整列排列;所述纳米圆柱阵列中,各纳米圆柱底部插入到基底内,并成矩形整列排列;在垂直所述纳米圆孔的平面上,所述纳米圆孔阵列和所述纳米圆柱阵列在两个方向上分别交错布置。
进一步的,所述基底材料为SiO2,所述纳米圆柱的材料为GaAs。
进一步的,所述纳米圆孔和所述纳米圆柱的半径r一致,取值范围为25nm-40nm;两纳米圆柱的半间距l取值范围为40nm-60nm,纳米圆柱的高度H取值范围为600-1100nm。
进一步的,所述纳米圆孔和所述纳米圆柱的半径r=30nm,两纳米圆柱的半间距l=50nm,纳米圆柱的高度H=1000nm。
进一步的,所述基底的厚度h1为150nm-200nm。
有益效果:本发明的纳米圆柱阵列长波通滤波片结构中,纳米圆柱阵列主要的工作方式是吸收紫外线而透过红外线,周期性纳米圆柱阵列对紫外波段的吸收性良好,对红外波段的透过性极佳,实现了在短波段的平均透过率低于1.5%,在长波段的平均透过率达到95%以上。
附图说明
图1为本发明长波通滤波片的立体结构示意图;
图2为本发明长波通滤波片的俯视结构示意图;
图3为本发明长波通滤波片沿x正方向的结构示意图;
图4为本发明长波通滤波片沿y正方向的结构示意图;
图5为本发明长波通滤波片在全工作波段的透射率光谱图;
图6为本发明长波通滤波片在全工作波段的反射率光谱图;
图7为本发明长波通滤波片透射率与反射率光图谱图;
图8为纳米圆孔和纳米圆柱的半径r对本发明长波通滤波片的总体透过率的影响;
图9为两纳米圆柱的半间距l对本发明长波通滤波片的总体透过率的影响;
图10为纳米圆柱的高度H对本发明长波通滤波片的总体透过率的影响;
图11为纳米圆孔的深度h1对本发明长波通滤波片的总体透过率的影响。
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1至图4所示,一种纳米圆柱阵列长波通滤波片,包括基底,基底材料为SiO2,基底上刻有纳米圆孔阵列,基底上还设有纳米圆柱阵列,纳米圆柱的材料为GaAs。纳米圆孔阵列中,各纳米圆孔贯穿基底,并成矩形整列排列。纳米圆柱阵列中,各纳米圆柱底部插入到基底内,并成矩形整列排列。在垂直纳米圆孔的平面上,纳米圆孔阵列和纳米圆柱阵列在两个方向上分别交错布置。
对纳米圆柱阵列进行分析与优化,使得阵列结构能够很好的阻断紫外波段而不影响红外波段的透过。本实施例中,基底的厚度h1为200nm,纳米圆孔和纳米圆柱的半径r=30nm,两纳米圆柱的半间距l=50nm,纳米圆柱的高度H=1000nm,在200nm-433nm的短波段的透过率几乎为0,在637nm-4000nm的长波段的透过率随着波长的增长而增大,趋向于95%。截止区域在433nm-637nm内,截止长度为204nm。
如图5、图6展示了本实施例的纳米圆柱阵列长波通滤波片的性能情况。分析图5,200nm-433nm的短波区域里在约200nm和374nm处出现两个尖峰,尖峰处的透过率分别为6%和3.3%。短波区域的平均透过率2%以下。在700nm-1100nm波段处出现呈现波动,透过率波动范围从91%-95%。大于700nm的长波段透过率均高于90%,平均透过率约为95%,随着波长的变长透过率不断增强。截止波段为433nm-637nm,截止斜率十分陡峭。图6是反射率图谱,从图中可以看出y轴的范围为0%-0.075%,其中在200-312nm内反射率断崖式下跌。反射图谱中分别在575nm处和1415nm处出现两个峰值,在542nm最高峰处的反射率约为0.9%,在1415nm处的反射率约为0.7%。可以看出整体结构对在工作波段内的任何波长的光的反射能力良好,说明周期性纳米圆柱阵列对紫外波段的吸收性良好,对红外波段的透过性极佳。因此,通过对反射曲线和透射曲线的比较,纳米圆柱阵列结构主要的工作方式是吸收紫外线而透过红外线。反射曲线与透射曲线的总体对应如图7所示,更加直观的描述了纳米圆柱阵列结构的低反射率。
为了详细阐明纳米圆柱阵列长波通滤波片的工作原理,使用控制变量法不断尝试改变各项参数,优化纳米圆柱阵列长波通滤光片的工作性能,在不影响滤光片性能的前提下,对各项参数的具体范围进行优化与确认,对实际制造与使用提供帮助。
首先,在其他仿真参数不变的情况下,即GaAs纳米圆柱的高度H=1000nm,基底以上部分为800nm;两GaAs纳米圆柱的半间距l=50nm;纳米圆孔的深度h1=200nm,改变GaAs纳米圆柱的半径r,范围为20nm-40nm,可得总体透过率改变幅度较大。由图8看出,200nm-410nm短波区域内随着r值的增加透过率大幅度降低。当r值为23nm时,200nm-429nm的短波波段中,在238nm和371nm附近存在尖峰,峰值分别为7.6%和4.6%。但是仍未出现平均透过率约为0的趋势。当圆柱半径从25nm增加至27nm时平均透过率已出现大幅降低至0%的趋势,但当半径r=27nm时,依然在238nm和390nm处存在尖峰,但峰值已分别降低到3.1%和0.5%。逐渐满足低通阻带0%透过。因此r=25nm可以看作为短波通透过率变化的转折点。当r从25nm变化到40nm时,287nm-462nm短波段区域的平均透过率已约等于0。只有200nm-287nm的透过率随半径r的变化存在细微的波动,波动范围从1.9%-5%。当r值达到40nm时短波平均透过率低于1%,287nm-491nm的平均透过率趋于为0%,仅在200nm-287nm存在尖峰,峰值为229nm,3.07%透过率。其次分析截止波段的变化情况。在20nm时截止波段在390nm-543nm,截止斜率最为陡峭;r值增加到40nm时截止区域移至462nm-724nm,截止斜率在所有分段中最缓。整个移动过程中截止波段随着r值的增加向长波方向移动并且截止区域变大,截止斜率变缓。最后对长波进行分析。2000nm-4000nm长波段区域变化随半径的变化效果甚微,其平均透过率保持在95%左右。650nm-2000nm区域内,平均透过率随着半径r的增大而降低,由20nm时的94%下降40nm时的90%。同时透过率的波动变化情况也随着半径与区域内的增大而加剧。从20nm时区域内581nm处极小值91%,1250nm处极大值96.5%变化到40nm时724nm处极小值79.5%,1450nm处极大值96.2%。总体而言随着纳米圆柱阵列的半径增大,波动范围加剧,平均透过率降低。综合考虑短波段的平均透过率、截止波长及斜率、长波段平均透过率以及波动范围,当r值为30nm时较为平衡。
在确定了GaAs纳米圆柱半径r=30nm后,保持纳米圆孔的深度h1=200nm和纳米圆柱的高度H=1000nm不变的情况下,改变两纳米圆柱间的半间距l的范围为40nm-60nm,以2nm为一个步长观察其对整体性能的影响,透过率变化过程如图9所示。可以看到随着两个纳米圆柱或圆孔半个间距的扩大,短波区域的平均透过率提高,继而从一个细微的尖峰变为两个尖峰,透过率从0.1%即可忽略,提高至约5.4%和1.2%。在大于600nm的长波段内,从40nm时区域内734nm处极小值81.4%,1536nm处极大值96%变化到50nm时区域内715nm处极小值83.5%,1383nm极大值96.3%最后到60nm时658nm处极小值86.3%,1307nm处极大值96.3%。总体情况半个间距的提高与纳米圆柱半径扩大的情况正好相反。综合考虑选择l为50nm。
在确定了GaAs纳米圆柱半径r=30nm和两纳米圆柱间的半间距l=50nm后,保持圆孔深度h1=200nm不变的情况下,改变GaAs纳米圆柱的高度H,改变范围从200nm到1100nm,步长为50nm,进行多次计算并对比在不同距离情况下整体结构的透过率情况,如图10所示。首先处理短波段的仿真结果,可以看出随着纳米圆柱高度的升高在短波波段的透过率急速降低,从200nm平均透过率30%降低到1100nm趋近于0%。但截止区域并未因高度的变化产生太大的变化,保持在433nm-608nm附近,而长波波段608-1200nm的却随着高度的变化其波动范围也随之扩大。因此对于高度的变化保证短波波段的低透过率因当时考虑高度的第一目标。当GaAs纳米圆柱高度H为1000nm时较为合适,制造时GaAs纳米圆柱的高度H的取值范围可为600-1100nm。
最后对在基底的纳米圆孔深度h1进行优化,深度从1000nm到250nm,步长为1nm。透过率变化过程如图11所示。从图中可以看到,在长波段696nm-4000nm中,透过率仅存在在波动区域内的上下的浮动,即便如此随着圆孔深度的增加,短波段透过率存在着不明显的变化。因此长波波段的平均透过率与区域内的极大极小值是考虑的重点。纳米圆孔深度h1选择200nm。
通过对上述几何参数分析,确定了GaAs纳米圆柱半径r=30nm和两纳米圆柱的半间距l=50nm,以及GaAs纳米圆柱的高度H,对全波段的透过率以及截止波段区间以及斜率起到了重大的影响因素。而纳米圆孔深度h1的增加仅仅对透过率的降低起到了细微可忽略的影响。
以下对纳米圆柱阵列长波通滤波片的理论基础加以阐述。
截止滤光片的性能基于其隔离度和截止效率来评估,截止效率可用消光比ER=10*log(Tpass/Tstop)来定义,其中Tpass代表通带中的最小透射率,Tstop代表阻带中的最大透射率。消光差ED=Tpass-Tstop;截止斜率CS=Tpass/Tstop/(λpass-λstop),其中λpass指通带里最大波长/最小波长,λstop代表阻带里最小波长/最大波长。截止波长CW是截止滤波器的另一个重要参数,定义为透射率是最大透射率一半的波长。首先使用公式ER=10*log(Tpass/Tstop)来计算消光比。在200-467nm的阻带内出现一个尖峰,其中在200nm处2.2%的峰值透过率为阻带中最大,即Tstop为0.022。在639-4000nm的通带区间内最小透过率为80%,即Tpass为0.8。结合公式可以算得消光比ER为15.606dB。算完消光比之后计算消光差,计算公式为ED=Tpass-Tstop。代入计算得ED=0.778。最后求解截止斜率,所用到的公式有CS=Tpass/Tstop/(λpass-λstop)。从而找出了阻带与通带的区域,阻带区域为200nm-467nm,通带区域为639nm-4000nm。可以计算的λpass值为6.259,λstop值为0.428,代入计算的CS为0.133nm-1。
综上所述,本发明的一种纳米圆柱阵列长波通滤波片,整体工作波段为200-4000nm,在200-450nm的短波段的平均透射率不到1%,截止波段为450-670nm,截止斜率十分陡峭。670-4000nm长波段的平均透过率在96%以上,其中在450nm-2000nm波段处出现一个波动区域,波动的范围为91%-95%,波动平均透过率为93%。2000-4000nm波段处平均透过率为96%。
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 (5)
1.一种纳米圆柱阵列长波通滤波片,其特征在于,包括基底,所述基底上刻有纳米圆孔阵列,所述基底上还设有纳米圆柱阵列;所述纳米圆孔阵列中,各纳米圆孔贯穿基底,并成矩形整列排列;所述纳米圆柱阵列中,各纳米圆柱底部插入到基底内,并成矩形整列排列;在垂直所述纳米圆孔的平面上,所述纳米圆孔阵列和所述纳米圆柱阵列在两个方向上分别交错布置。
2.根据权利要求1所述的纳米圆柱阵列长波通滤波片,其特征在于,所述基底材料为SiO2,所述纳米圆柱的材料为GaAs。
3.根据权利要求1或2所述的纳米圆柱阵列长波通滤波片,其特征在于,所述纳米圆孔和所述纳米圆柱的半径r一致,取值范围为25nm-40nm;两纳米圆柱的半间距l取值范围为40nm-60nm,纳米圆柱的高度H取值范围为600-1100nm。
4.根据权利要求3所述的纳米圆柱阵列长波通滤波片,其特征在于,所述纳米圆孔和所述纳米圆柱的半径r=30nm,两纳米圆柱的半间距l=50nm,纳米圆柱的高度H=1000nm。
5.根据权利要求4所述的纳米圆柱阵列长波通滤波片,其特征在于,所述基底的厚度h1为150nm-200nm。
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