CN117724198A - 基于介电弹性体的可见光动态可调谐高光谱分辨率滤光片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于介电弹性体的可见光动态可调谐高光谱分辨率滤光片，属于滤光片技术领域，该滤光片包括石英衬底、一维光子晶体、缺陷层、带通层以及ITO层。石英衬底位于最底层；两个轴对称的一维光子晶体位于石英衬底上层，对称轴为两个一维光子晶体之间的缺陷层；带通层位于最上层；ITO层对称地贴在两个一维光子晶体两侧。本发明结构简单，具有高的峰值透射率和窄带光谱，可调范围广，滤色纯度高，快速调谐波长。
Description
技术领域
本发明属于滤光片技术领域，特别涉及基于介电弹性体的可见光动态可调谐高光谱分辨率滤光片滤光片结构。
背景技术
彩色滤光片是一种光学器件，在光谱仪器、成像传感器和显示器等许多工业领域发挥着重要作用。这些领域中使用的许多光学系统的精度和灵敏度主要由这种光学器件决定。
一般来说，光学滤光片有两种类型：反射滤光片和透射滤光片。通常，反射滤光片由完美吸收器实现，其过滤的波长被完全吸收。相反，透射式滤光片的滤光功能是通过允许所需波长通过而获得的。与反射滤光片相比，透射滤光片更适合用于显示器、电荷耦合器件和高光谱成像。
对于透射滤光片，如果想要一个具有高精度和分辨率的滤光片，那么品质因数或透射光谱最大值一半的全宽(FWHM)是一个主要特征。此外，滤光片的透射率也是应考虑的重要特性。这是因为较高的透射率意味着更好的入射光能量利用，这将有利于减少功率耗散并在使用这些滤光片的光学系统中获得高强度的信号。
从经典的RGB拜耳滤光片到多/高光谱集成彩色滤光片阵列(CFAs)，滤光片型光谱仪已经成为遥感光谱成像的关键技术。它们使体积庞大的光谱仪小型化，成为小巧便携的设备。
此外，可调谐滤光片型光谱仪，通常采用液晶作为可调谐材料，但是由于液晶材料本身的限制，可调范围不够宽，颜色不够纯净，从而限制了光谱仪的空间分辨率。
发明内容
本发明是针对现在可调谐滤光片的可调范围不够，结构复杂庞大，滤出光颜色纯度低的问题，提出了基于介电弹性体的可见光动态可调谐高光谱分辨率滤光片滤光片结构。
为了达到以上目的，本发明提供如下技术方案：
基于介电弹性体的可见光动态可调谐高光谱分辨率滤光片滤光片，包括石英衬底、一维光子晶体、缺陷层、带通层以及ITO层。
所述石英衬底位于最底层；两个轴对称的一维光子晶体位于石英衬底上层，对称轴为两个一维光子晶体之间的缺陷层；带通层位于最上层；ITO层对称地贴在两个一维光子晶体两侧。
一维光子晶体结构为[BA]nC[AB]n，其中n代表缺陷层两侧的光子晶体周期数量，n取3；组成光子晶体[AB]的材料分别为高折射率材料层和低折射率材料层，C表示缺陷层。
作为优选，所述缺陷层C的材料为介电弹性体(dielectric elastomer)，厚度为120nm。
作为优选，所述的衬底的材料为石英。
作为优选，所述的带通层为介质材料TiO2和SiO2周期交替层叠4次形成，其中TiO2厚度d1为96nm，SiO2厚度d2为106nm。
作为优选，所述高折射率材料A为GaP，厚度d4为38nm。
作为优选，所述低折射率材料B为SiO2，厚度d3为98nm。
作为优选，所述ITO层材料为氧化锡铟，厚度为120nm。
本发明具有以下有益效果：
利用介电弹性体DE材料的电控形变特性和光子晶体相结合制成的一种可见光波段动态可调谐高光谱分辨率滤光片，结构简单，具有高的峰值透射率和窄带光谱，可调范围广，滤色纯度高，快速调谐波长；在光谱成像、光学探测、光学测量及生物医学等领域有应用前景。
附图说明
图1为实施例中滤光片的示意图；
图2为实施例中TE和TM偏正光入射下的透射图；
图3为实施例中透射谱随DE变化图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1所示，基于介电弹性体的可见光动态可调谐高光谱分辨率滤光片包括衬底1、由两种不同的非金属介质材料周期交替排列而成的有限一维光子晶体晶体2、缺陷层3、带通层4和半导体透明导电膜ITO层5。
所述石英衬底1位于最底层；两个轴对称的一维光子晶体2位于石英衬底1上层，对称轴为两个一维光子晶体之间的缺陷层3；带通层4位于最上层；ITO层5对称地贴在两个一维光子晶体两侧。
具体的，一维光子晶体结构为[BA]nC[AB]n，其中n代表缺陷层两侧的光子晶体周期数量，n取3；C表示缺陷层；组成光子晶体[AB]的材料A和B分别为高折射率材料GaP和低折射率材料SiO2，厚度分别为38nm和98nm。
缺陷层3的材料为介电弹性体DE，厚度为120nm。
衬底的材料为石英；带通层为介质材料TiO2和SiO2周期交替层叠4次形成，其中TiO2厚度d1为96nm，SiO2厚度d2为106nm。
所述ITO层材料为氧化锡铟，厚度为120nm。
利用滤光片两侧的半导体透明导电膜氧化锡铟ITO层，对其施加电压以驱动介电弹性体DE材料，从而使中心波长向长波段移动。
当光入射到滤光片中，会被较大的完全光子禁带所阻挡反射，只有因为缺陷层产生高品质因数的缺陷态，形成的缺陷模，才能使特定频率的波穿过该光子禁带，缺陷模的频率范围越小，形成的透射峰越窄。此外，通过带通层与光子晶体形成的禁带层相互匹配，能抑制所需波段之外的峰，从而有效提高滤出的光的颜色纯度。
实施例：
光线垂直入射，对于上述滤光片结构，在该入射条件下，改变入射光的偏振态。结果如图2所示，图中为本发明在609nm处的TE和TM偏振光入射下的透射谱线仿真图。从图中可以看出，改变入射光的偏振态时，透射光谱特性曲线没有发生变化，表明该结构是偏振无关结构。
通过透明电极ITO层对滤光片中的介电弹性体DE施加不同的电压，可以使介电弹性体发生纵向形变，从而改变滤光片的中心波长，可以达到动态可调谐效果，如图3所示，可以达到450nm-650nm的动态可调谐范围。
以上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 (7)
1.基于介电弹性体的可见光动态可调谐高光谱分辨率滤光片，其特征在于，包括石英衬底、一维光子晶体、缺陷层、带通层以及ITO层；所述石英衬底位于最底层；两个轴对称的一维光子晶体位于石英衬底上层，对称轴为两个一维光子晶体之间的缺陷层；带通层位于最上层；ITO层对称地贴在两个一维光子晶体两侧。
2.根据权利要求1所述的基于介电弹性体的可见光动态可调谐高光谱分辨率滤光片，其特征在于，所述一维光子晶体结构为[BA]nC[AB]n，其中n代表缺陷层两侧的光子晶体周期数量，n取3；组成光子晶体[AB]的材料分别为高折射率材料层和低折射率材料层，C表示缺陷层。
3.根据权利要求2所述的基于介电弹性体的可见光动态可调谐高光谱分辨率滤光片，其特征在于，所述缺陷层C的材料为介电弹性体，厚度为120nm。
4.根据权利要求3所述的基于介电弹性体的可见光动态可调谐高光谱分辨率滤光片，其特征在于，所述的带通层为介质材料TiO2和SiO2周期交替层叠4次形成，其中TiO2厚度d1为96nm，SiO2厚度d2为106nm。
5.根据权利要求4所述的基于介电弹性体的可见光动态可调谐高光谱分辨率滤光片，其特征在于，所述高折射率材料A为GaP，厚度d4为38nm。
6.根据权利要求5所述的基于介电弹性体的可见光动态可调谐高光谱分辨率滤光片，其特征在于，所述低折射率材料B为SiO2，厚度d3为98nm。
7.根据权利要求6所述的基于介电弹性体的可见光动态可调谐高光谱分辨率滤光片，其特征在于，所述ITO层材料为氧化锡铟，厚度为120nm。
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