CN1710450A - 基于金属微纳结构的光谱选择功能元件的设计方法 - Google Patents

Abstract

基于金属微纳结构的光谱选择功能元件的设计方法，通过对金属膜层不同区域微纳结构的尺度、深度及周期进行调制，可实现纳米量级的透射或反射分立和连续波长的选择。与传统方法相比，本发明可以实现超小、超薄型的单层膜滤波、分光及辐射谱定标器件。通过设计金属膜层微纳结构尺寸、深度、分布及间距，可以在指定位置实现指定光波波长的透射，出射选择光波可以与器件表面垂直，可以只用单层膜代替传统如用作波分复用，未来器件成本可以大幅度降低；通过设计金属表面不同区域凹孔大小及间距，可以在指定位置实现指定光波波长的透射；仅利用一个器件即可实现波长选择功能，因此可在系统中实现即插即用。

Description

基于金属微纳结构的光谱选择功能元件的设计方法

所属技术领域

本发明涉及一种不同波长光波的分离以及光波的滤波元件的设计方法，特别是一种基于金属微纳结构的光谱选择功能元件的设计方法。

技术背景

1998年，T.W Ebbesen等人在Nature上报道了光通过亚波长金属孔列阵的异常透射现象。当光通过具有一定周期的亚波长金属孔列阵的时候，在特定的波长，会出现透射率极大的增强，这种增强比传统衍射理论所预测的数值要高出几个数量级，利用该现象，可以制成仅对特定波长有透射增强的滤波器。

近年来，对异常透射增强现象的研究主要集中在其物理机制上，其结构大多是亚波长金属孔周期列阵，如L.Martin-Moreno，Theory ofExtraordinary Optical Transmission through Subwavelength Hole Arrays.Phys.Rev.Lett.86，1114(2001)、Henri J.Lezec，Diffracted evanescentwave model for enhanced and suppressed optical transmission throughsubwavelength hole arrays.Optics Express，12，6，3629(2004)中介绍的，而对非周期的金属孔列阵实现多个波长的透射增强没有报道。因周期阵列主要是实现对特定波长的透射增强，所以只能作为滤波器，而引入非周期结构后，可以同时实现对多个波长在不同空间的透射增强，就有光谱的选择功能。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种可实现光波分离以及光波滤波的基于金属微纳结构的光谱选择功能元件的设计方法，该方法通过对非周期金属孔(狭缝)列阵的结构进行控制，可以实现对多个特定波长的透射增强，从而达到了分光或多通道滤波的效果。

本发明的技术解决方案：基于金属微纳结构的光谱选择功能元件的设计方法，通过下列步骤实现：

(1)根据所需透射光的光波波段范围选择基底材料和金属材料，并确定金属层厚度，通常金属材料选择银，取透射光谱中心波长的一半作为金属层厚度，并在基底材料表面蒸镀相应厚度的金属层，基底材料根据透射波段进行选择，可以为石英和红外材料；

(2)在金属层表面设置不同周期排布的通孔，通常取透射光谱中心波长的一半作为金属通孔直径，并通过调节不同区域金属通孔的周期，在不同区域获得不同的透射波长，从而实现透光波长或反射波长的选择，可以下式通过调节通孔的周期可对透射波长进行选择，

$\mathrm{\λ}=\mathrm{\Λ}\×\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m{\·\mathrm{\ϵ}}_d}{{\mathrm{\ϵ}}_m+{\mathrm{\ϵ}}_d}}$

L为局部孔结构的周期，λ为透射率的峰值波长，ε_m和ε_d分别为金属和其周围电介质的介电函数；

(3)利用现有微加工方法在金属层表面制作出一系列的通孔，从而实现不同区域透射不同的波长。

本发明与现有技术相比有以下优点：

(1)由于金属表面的微纳结构尺寸及周期为亚微米量级甚至更小，因此可以构成超小、超薄光波选择器件；

(2)可以只用单层膜代替传统多层膜滤波器的功能，如用作波分复用，未来器件成本可以大幅度降低；

(3)通过设计金属表面不同区域凹孔间距，可以在指定位置实现指定光波波长的透射；

(4)该方法仅利用一个器件即可实现波长选择功能，因此可在系统中实现即插即用。

附图说明

图1为本发明实现光波选择的微纳结构示意图，1为空气孔，2为基底石英材料，3为金属材料。

图2为采用微纳结构实现光波选择结果。横坐标表示位置，每格代表10个微米，纵坐标表示透射波长，每格代表100纳米。

具体实施方式

本发明实施例主要利用金属表面凹孔的孔径以及间距实现光波长的透射和反射选择。因此，通过设计空气孔的孔径以及排布周期可实现透射和反射光波波长的选择。

实施例1，通过本发明的方法实现可见光波段微型光谱仪，其设计过程如下：

(1)由于金属材料介电函数对不同波长入射光有不同的响应，针对可见光波段，选择银作为金属材料，首先在石英基底表面蒸镀300纳米金属银，可以通过试验确定膜层厚度，由于不同的膜层透过率不同，所以根据试验曲线选择透过率高的膜层厚度300纳米。

(2)根据 $\mathrm{\λ}=\mathrm{\Λ}\×\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m\·{\mathrm{\ϵ}}_d}{{\mathrm{\ϵ}}_m+{\mathrm{\ϵ}}_d}}$ 确定透射波长与凹孔结构参数之间的关系。λ为选择透射波长，此值是事先确定的，∧凹孔周期，ε_m，ε_d为与金属及其周围介质相关的介电常数，通过上式计算出∧，即确定了凹孔周期。对银来说， ${\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\ω}\right)}_m={\mathrm{\ϵ}}_{\∞}+\frac{{{\mathrm{\ω}}_p}^2}{\mathrm{i\Γ\ω}-{\mathrm{\ω}}^2},$ 其中ε_∞＝4.2、ω_p＝1.346390×10¹⁶、Г＝9.617120×10¹³，ε_m与入射光频率ω有关，若其出射面材料为空气，ε_d＝1，若为其他折射率为n的介质，则ε_d＝n²。凹孔或凹槽的宽度取半个波长。

(3)根据不同区域需要的透射波长，选择该区域凹孔或凹槽的结构参数。为了使可见光光谱仪出射波长从左到右依次减小，设计金属凹孔周期从左到右也依次减小。

(4)利用现有微加工方法在金属层表面制作出设计的凹孔或凹槽阵列，制作结果见图1。

采用白光垂直照明图1中所示的元件，在透射方得出图2所示的光谱分布。横坐标表示位置，每格代表10个微米。纵坐标表示透射波长，每格代表100纳米。

Claims (2)

1、基于金属微纳结构的光谱选择功能元件的设计方法，其特征在于：通过下列步骤实现：

(1)根据所需透射光的光波波段范围选择基底材料和金属材料，并确定金属层厚度，通常取透射光谱中心波长的一半作为金属层厚度，并在基底材料表面蒸镀相应厚度的金属层；

(2)在金属层表面设置不同周期排布的通孔，通常取透射光谱中心波长的一半作为金属通孔直径，并通过调节不同区域金属通孔的周期，在不同区域获得不同的透射波长，从而实现透光波长或反射波长的选择；

(3)利用现有微加工方法在金属层表面制作出一系列的通孔，从而实现不同区域透射不同的波长。

2、根据权利要求1所述的基于金属微纳结构的光谱选择功能元件的设计方法，其特征在于：所述步骤(2)中通过调节通孔的周期可对透射波长进行选择公式如下，

$\mathrm{\λ}=\mathrm{\Λ}\×\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m\·{\mathrm{\ϵ}}_d}{{\mathrm{\ϵ}}_m+{\mathrm{\ϵ}}_d}}$

L为局部孔结构的周期，λ为透射率的峰值波长，ε_m和ε_d分别为金属和其周围电介质的介电函数。