CN116381839A - 基于光学超表面的超高光密度窄带红外滤光片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光学超表面的超高光密度窄带红外滤光片，由下至上依次为衬底、由两种不同折射率材料组成的第一组薄膜层、金属层、与第一组薄膜层关于金属层成镜像的第二组薄膜层、金属‑非金属‑金属纳米光栅和保护层；第一、二组薄膜层和两者中间的金属层组合为一个诱导透射滤光片的改进版本，能够同时产生较大的透射率、较窄的带宽和较高的光密度；上述结构结合基于等离子体光子学的金属‑非金属‑金属纳米光栅，可以使带宽进一步缩小至七分之一，同时光密度可再次提高100倍。本发明提供的超高光密度窄带红外滤光片的工作波长范围覆盖1.36‑5微米。
Description
技术领域
本发明属于光学滤光片领域，涉及一种基于光学超表面的超高光密度窄带红外滤光片。
背景技术
光谱滤光片作为一种可用于选取所需波段的光谱被广泛应用到各类成像设备、光电传感器、太阳能电池、彩色全息显示器、增强现实显示器等领域中。目前大多数滤光片是通过染色或镀膜技术进行制作的，其优点是尺寸可以做的很大，缺点是受限于材料。基于超表面微纳结构的滤光片，其原理可以是等离子体光子学、光子晶体等，由于其特征尺寸远远小于设计波长，虽然使用的仍是自然界能找到的材料，但通过改变微纳结构的形状、大小等参数可实现对入射光偏振、相位、振幅等特性的调控，产生传统材料无法实现的功能。但是，现有采用薄膜技术或超表面微纳结构设计制作的滤光片，都有一个共同的缺点，光学密度太小，对光学背景噪音的容忍度较低。其次通过上述技术设计制作的滤光片在红外波段的带宽较大。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种基于光学超表面的超高光密度窄带红外滤光片，由下至上依次为衬底、改进型的诱导透射滤光片、金属-非金属-金属纳米光栅和保护层；
所述改进型的诱导透射滤光片由第一组薄膜层、金属层、与第一组薄膜层关于金属层成镜像的第二组薄膜层组合而成；所述第一组薄膜层和所述第二组薄膜层均由两种不同折射率薄膜依次交替堆叠而成；折射率较高的薄膜记为H层，折射率较低的薄膜记为L层，L层的厚度设计为峰值波长的四分之一，H层的厚度设计为dH＝dL×nL/nH，其中nH和nL分别为H层和L层的折射率，dH和dL分别为H层和L层的厚度；与金属层两侧相邻的薄膜均为L层，且其厚度是其他L层厚度的1.9倍；改进的诱导透射滤光片能够同时产生较大的透射率、较窄的带宽和较高的光密度；
在上述结构上，结合基于等离子体光子学的金属-非金属-金属纳米光栅，可使带宽进一步缩小至七分之一，同时光密度可再次提高100倍，本发明提供的超高光密度窄带红外滤光片的工作波长范围覆盖1.36-5微米。
进一步地，通过调整所述H层、L层和金属层的材料和厚度，实现对所述改进型的诱导透射滤光片的透射率、带宽和光密度的调控。
进一步地，所述改进型的诱导透射滤光片的结构由下至上依次为：H层、L层、H层、L层、H层、L层、M层、L层、H层、L层、H层、L层、H层，所述M层为金属层。
进一步地，所述H层的材料可采用在红外波段具有较高折射率的材料，包括锗或硅等。
进一步地，所述L层的材料可采用在红外波段具有较低折射率的材料，包括氧化铝、氧化硅、砷化锌、氧化锌或氟化镁等。
进一步地，所述金属层的材料包括金、银、铝、铜或钛等，厚度为50-70纳米。
进一步地，通过调整所述金属-非金属-金属纳米光栅中金属和非金属的材料、厚度、长度、周期，使得其和改进型的诱导透射滤光片具有相同峰值波长，从而进一步减小红外滤光片的带宽，增大红外滤光片的光密度。
进一步地，所述金属-非金属-金属纳米光栅的结构可采用圆形、同心圆环形、正多边形或同心正多边环形，纳米光栅的长度不超过1微米。
进一步地，所述衬底可采用在红外波段具有较高透射率的材料，包括锗、硅、氧化铝或砷化锌等。
进一步地，所述保护层的材料为硅、锗等高折射率材料，厚度为200-500纳米。
相对于现有技术，本发明具有以下有益的技术效果：
1.本发明的基于光学超表面的超高光密度窄带红外滤光片的光密度大于10。
2.本发明的基于光学超表面的超高光密度窄带红外滤光片的最小带宽小于10纳米。
3.本发明的基于光学超表面的超高光密度窄带红外滤光片的工作波长为1.36-5微米。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于光学超表面的超高光密度窄带红外滤光片示意图；
图2为本发明实施例提供的基于光学超表面的超高光密度窄带红外滤光片的光谱曲线图；
图3为本发明实施例提供的基于光学超表面的超高光密度窄带红外滤光片的工作波段(1.36-5微米)示意图。
具体实施方式
为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本发明提供一种基于光学超表面的超高光密度窄带红外滤光片，由下至上依次为衬底、改进型的诱导透射滤光片、金属-非金属-金属纳米光栅和保护层；
改进型的诱导透射滤光片由第一组薄膜层、金属层、与第一组薄膜层关于金属层成镜像的第二组薄膜层组合而成；第一组薄膜层/第二组薄膜层由两种不同折射率薄膜依次交替堆叠而成；折射率较高的薄膜记为H层，折射率较低的薄膜记为L层，L层的厚度设计为峰值波长的四分之一，H层的厚度设计为dH＝dL×nL/nH，其中nH和nL分别为H层和L层的折射率，dH和dL分别为H层和L层的厚度；与金属层两侧相邻的薄膜均为L层，且其厚度是其他L层厚度的1.9倍；改进的诱导透射滤光片能够同时产生较大的透射率、较窄的带宽和较高的光密度；
在上述结构上，结合基于等离子体光子学的金属-非金属-金属纳米光栅，可以使带宽进一步缩小至七分之一，同时光密度可再次提高100倍，本发明提供的超高光密度窄带红外滤光片的工作波长范围覆盖1.36-5微米。
在一个实施例中，如图1所示，衬底采用硅基，在红外波段具有较高的透射率。改进型的诱导透射滤光片的结构由下至上依次为：H层1、L层1、H层2、L层2、H层3、L层3、M层、L层4、H层4、L层5、H层5、L层6、H层6，M层为金属层。L层1、L层2、L层5和L层6的厚度为dL，L层3和L层4的厚度为1.9dL。本实施例中，H层和L层的材料分别是锗和氧化铝，厚度分别为dH＝190纳米和dL＝450纳米，金属层的材料是金，厚度为50纳米。改进型的诱导透射滤光片上方的金属-非金属-金属纳米光栅，其金属采用的材料是金，非金属采用的材料是氧化铝，厚度分别为40纳米和360纳米，保护层的材料是硅，厚度为200纳米。
进一步地，该红外滤光片的透射光谱曲线如图2所示，可以看出结合金属-非金属-金属纳米光栅的超高光密度窄带红外滤光片可以成倍地改善基于薄膜结构的改进型的诱导透射滤光片的光学参数，包括更小的带宽和更大的光密度。
进一步地，如图3所示，通过改变H层锗、L层氧化铝层的厚度，以及金属-非金属-金属纳米光栅的周期和长度，可以改变超高光密度窄带红外滤光片的峰值波长，且其工作波段为1.36-5微米。
以上所述仅为本说明书一个或多个实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本说明书一个或多个实施例，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例保护的范围内。
Claims (10)
1.一种基于光学超表面的超高光密度窄带红外滤光片，其特征在于，由下至上依次为衬底、改进型的诱导透射滤光片、金属-非金属-金属纳米光栅和保护层；
所述改进型的诱导透射滤光片由第一组薄膜层、金属层、与第一组薄膜层关于金属层成镜像的第二组薄膜层组合而成；所述第一组薄膜层和所述第二组薄膜层均由两种不同折射率薄膜依次交替堆叠而成；折射率较高的薄膜记为H层，折射率较低的薄膜记为L层，L层的厚度设计为峰值波长的四分之一，H层的厚度设计为dH＝dL×nL/nH，其中nH和nL分别为H层和L层的折射率，dH和dL分别为H层和L层的厚度；与金属层两侧相邻的薄膜均为L层，且其厚度是其他L层厚度的1.9倍。
2.根据权利要求1所述的一种基于光学超表面的超高光密度窄带红外滤光片，其特征在于，通过调整所述H层、L层和金属层的材料和厚度，实现对所述改进型的诱导透射滤光片的透射率、带宽和光密度的调控。
3.根据权利要求1所述的一种基于光学超表面的超高光密度窄带红外滤光片，其特征在于，所述改进型的诱导透射滤光片的结构由下至上依次为：H层、L层、H层、L层、H层、L层、M层、L层、H层、L层、H层、L层、H层，所述M层为金属层。
4.根据权利要求1所述的一种基于光学超表面的超高光密度窄带红外滤光片，其特征在于，所述H层的材料包括锗或硅。
5.根据权利要求1所述的一种基于光学超表面的超高光密度窄带红外滤光片，其特征在于，所述L层的材料包括氧化铝、氧化硅、砷化锌、氧化锌或氟化镁。
6.根据权利要求1所述的一种基于光学超表面的超高光密度窄带红外滤光片，其特征在于，所述金属层的材料包括金、银、铝、铜或钛，厚度为50-70纳米。
7.根据权利要求1所述的一种基于光学超表面的超高光密度窄带红外滤光片，其特征在于，通过调整所述金属-非金属-金属纳米光栅中金属和非金属的材料、厚度、长度、周期，使得其和改进型的诱导透射滤光片具有相同峰值波长，从而进一步减小红外滤光片的带宽，增大红外滤光片的光密度。
8.根据权利要求1所述的一种基于光学超表面的超高光密度窄带红外滤光片，其特征在于，所述金属-非金属-金属纳米光栅的结构采用圆形、同心圆环形、正多边形或同心正多边环形；纳米光栅的长度不超过1微米。
9.根据权利要求1所述的一种基于光学超表面的超高光密度窄带红外滤光片，其特征在于，所述衬底的材料包括锗、硅、氧化铝或砷化锌。
10.根据权利要求1所述的一种基于光学超表面的超高光密度窄带红外滤光片，其特征在于，所述保护层的材料包括硅或锗，厚度为200-500纳米。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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