CN203688835U - 一种适用于任意光的超高透射率减色滤波器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种适用于任意光的超高透射率减色滤波器。通过理论仿真和推导，设计了超薄金属膜厚系列、亚波长尺寸的圆形微孔阵列，利用光与金属表面微型阵列相互作用产生的等离子体激元效应，任意光照射到微结构阵列上，在可见光某个波段会产生透射率极小值，相应的会呈现出该极小值波长所对应颜色的补色，而对该波长以外的光具有超高的透射率。本实用新型利用磁控溅射在玻璃基片上蒸镀了超薄银膜，再用电子束曝光（EBL）技术在Ag膜表面成功制作出亚波长尺寸圆形小孔结构阵列的滤波器。本实用新型制备的滤波器不依赖于光源的偏振特性，具有很高的透射效率，易于制造和设备集成，在高温、高湿度和长期的辐射暴露下具有更高的可靠性。
Description
技术领域
本实用新型涉及光学微器件制备技术，特别涉及一种适用于任意光（TE、TM）的超高透射率减色滤波器及其制备方法。
背景技术
传统的滤色片由于采用有机染料或化学颜料，容易受化学物质的腐蚀，在长时间的紫外线照射或高温下性能也会下降。此外，为了将各种像素单元排列成大面积阵列，必需进行高度精确的光刻对准，这显著增加了制造的复杂性和成本。近期出现的利用刻有周期性孔洞的单层金属膜制作的增色滤波器是克服上述局限性的一种途径。这种等离子滤波器选择性透过与表面等离子激元激发相关的频带，截止其他可见光。这些透射频带可以在整个可见光谱上通过简单地调节几何参数，如周期，形状和纳米孔的尺寸进行调谐，从而导致高色彩可调性，但其低透射率（在可见光波段仅为30 ％）仍是限制其商业应用的瓶颈。而有研究者通过金属 - 绝缘体 - 金属（MIM）或金属 - 电介质（MD）结构的波导纳米谐振腔形成的等离子激元增色滤波器虽可实现50~80％的高透射率，但由于其复杂的多层设计，并不适合于低成本的纳米加工和设备集成。
实用新型内容
本实用新型克服了现有滤波器的不足，设计了一种适用于任意光的超高透射率减色滤波器。
一种适用于任意光的超高透射率减色滤波器，所述的超高透射率减色滤波器具有一个玻璃基片，在玻璃基片上设有一层Ag膜，所述的Ag膜厚范围是20~30nm，在Ag膜上刻有周期性圆形小孔。
所述的超高透射率减色滤波器不依赖光源，在TE/TM偏振白光的照射下均有滤波作用。
所述的超高透射率减色滤波器的峰值透射率高达60~70%。
所述周期性圆形小孔的周期为120~372nm，占空比为0.5。
本实用新型的有益效果：本实用新型同时具有高透射效率、结构简单、低成本的特点，不依赖光源，在TE/TM偏振白光的照射下均有滤波作用。
附图说明
图1 是本实用新型的超高透射率减色滤波器的剖视图；
图2 是本实用新型的超高透射率减色滤波器的俯视图；
图3 是TE/TM偏振白光照射下透射极小值的波长λmin 和膜厚d，周期p之间的关系拟合曲面图；
图4a和4b是用FDTD Solutions仿真的Ag膜厚度d为20nm，周期p为312nm的圆形小孔阵列滤波器分别在TE和TM偏振白光照明下的透射率曲线；
图5a和5b是Ag膜厚度d为30nm，各周期的圆形小孔阵列滤波器分别在TE和TM偏振白光照明下拍摄的光学显微图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明。
本实用新型用刻有二维（2D）亚波长光栅的超薄Ag膜实现的60~ 70％高透射率等离子激元减色滤波器。这种减色滤波方案是通过从可见光谱中消除特定的颜色（例如青色，品红色和黄色，CMY）的互补部分（即红色，绿色和蓝色， RGB）来获得这些颜色。这种刻有二维亚波长光栅的减色滤波器对光源没有依赖性，在TE/TM偏振白光的照射下，由于光与表面等离子体激元的相互作用，会在可见光某个波段产生透射率极小值，相应的会呈现出该极小值波长的颜色的补色，具有滤波作用。
本实用新型减色滤波器，克服现有滤波器的局限性，不仅具有超高透射率，而且结构简洁，其超薄超精细的微纳结构设计，使其具有亚微米的空间分辨率，能够制作出的像素，比现有商用图像传感器具有的最小像素更小，易于集成，成为集成滤波器，而集成滤波器是未来的显示器、图像传感器、数码摄像机、投影仪和其他光学测量仪器的重要组件。
如图1和图2所示，仿真了一种适用于任意光（TE、TM）的超高透射率减色滤波器,，在玻璃基片上设置有一层超薄的Ag膜，一系列膜厚范围是10~50nm，步长5nm，在Ag膜上刻有周期性圆形小孔结构。
然后利用商业仿真软件FDTD Solutions对上述一系列不同膜厚、不同周期、占空比0.5，在不同偏振光（TE、TM）照明下的圆形小孔阵列进行了仿真模拟，膜厚范围是10~50nm，步长5nm，周期范围是120~380nm，步长10nm。仿真中用到的Ag的复折射率数据来自FDTD Solutions内部库，是Palik等人在实验中测得的不同波长下Ag膜的n，k值。在使用之前我们进行了拟合，拟合中共使用了3个系数，拟合容差为0.01。为了将散射光完全吸收，防止其遇到边界后反射到结构上干扰仿真结果，仿真中用到了完美匹配层（PML）边界条件。此外，为了实现周期性结构，减少运算时间，仿真中还用到了对称（Symmetric bc）和反对称（Anti-symmetric bc）边界条件，具体各边界是用对称还是反对称边界条件，与光源的偏振态有关。仿真中用到的光源是400~750nm波段的TE/TM偏振白光，对应TE偏振白光时，FDTD仿真区域中的xmin、xmax边界应设为对称边界条件，ymin、ymax边界设为反对称边界条件，zmin、zmax边界设为PML边界条件；对应TM偏振白光时，xmin、xmax边界应设为反对称边界条件，ymin、ymax边界设为对称边界条件，zmin、zmax边界设为PML边界条件。
本实用新型以膜厚d，周期p为自变量，TM偏振白光照射下得到的透射率曲线中透射极小值的波长λmin为因变量，用二元多项式对以上仿真结果进行了拟合，推导出了一个预测公式，λmin=C0+C1d+C2d2+C3d3+C4P+C5P2，其中 Ci (i=0-5) 是拟合系数，C0=638.9 nm，C1=-18.31，C2=0.3696 nm-1，C3=-0.00269 nm-2，C4=0.4927 和 C5=0.0009986 nm-1，拟合得到的曲面图如图3所示。通过这个公式，可以设计膜厚和周期来达到对某个特定波长的滤波目的，对滤波器的设计具有实际的指导意义。
根据上述设计方案，对适用于任意光的超高透射率减色滤波器进行了研制：在平整度小于一个光圈、粗糙度小于1nm的玻璃基板上用磁控溅射的方法先蒸镀一层超薄的Ag膜（20nm、30nm），然后利用电子束曝光（EBL）的方法制作了一系列不同周期（系列周期为120nm、168nm、228nm、276nm、312nm、372nm）、占空比为0.5的亚波长尺寸圆形小孔阵列。
实施例1. 20nm膜厚不同周期滤波器的制备
该实施例是在平整度小于一个光圈、粗糙度小于1nm的玻璃基板上用磁控溅射的方法先蒸镀一层20nm的Ag膜，然后利用电子束曝光（EBL）的方法制作了一系列不同周期，系列周期为120nm、168nm、228nm、276nm、312nm、372nm，占空比0.5的亚波长尺寸圆形小孔阵列。在TE/TM偏振白光的垂直照射下，分别在某个波长处产生透射率极小值，因此会表现出这个波长可见光的颜色对应的补色。图4a和4b是用FDTD Solutions仿真得到的其中周期为312nm的圆形小孔阵列滤波器分别在TE和TM偏振白光照明下的透射率曲线，透射率高达60-70%。
实施例2. 30nm膜厚不同周期滤波器制备
该实施例是在平整度小于一个光圈、粗糙度小于1nm的玻璃基板上用磁控溅射的方法先蒸镀一层30nm的Ag膜，然后利用电子束曝光（EBL）的方法制作了一系列不同周期，系列周期为120nm、168nm、228nm、276nm、312nm、372nm，占空比0.5的亚波长尺寸圆形小孔阵列。在TE/TM偏振白光的垂直照射下，分别在某个波长处产生透射率极小值，因此会表现出这个波长可见光的颜色对应的补色。图5a和5b是对应不同周期的圆形小孔阵列滤波器分别在TE和TM偏振白光照明下拍摄的光学显微图。从图中可以看出，光的偏振性不影响滤波效应，另一方面，厚度不变情况下，透过不同周期的滤波器呈现出不同的颜色。
Claims (4)
1.一种适用于任意光的超高透射率减色滤波器，其特征在于，所述的超高透射率减色滤波器具有一个玻璃基片，在玻璃基片上设有一层Ag膜，所述的Ag膜厚范围是20~30nm，在Ag膜上刻有周期性圆形小孔。
2.根据权利要求1所述的超高透射率减色滤波器，其特征在于，所述的超高透射率减色滤波器不依赖光源，在TE/TM偏振白光的照射下均有滤波作用。
3.根据权利要求1所述的超高透射率减色滤波器，其特征在于，所述的超高透射率减色滤波器的峰值透射率高达60~70%。
4.根据权利要求1所述的超高透射率减色滤波器，其特征在于，所述周期性圆形小孔的周期为120~372nm，占空比为0.5。
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| CN103777264A (zh) * | 2014-01-22 | 2014-05-07 | 浙江大学 | 一种适用于任意光的超高透射率减色滤波器及其制备方法 |
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