[發明專利]基于表面等離子體激元的透射式濾波器

有效

• 申請號: 201510214207.3
• 申請日: 2015-04-29
• 公開（公告）號: CN104793277B
• 公開（公告）日: 2017-10-31
• 發明（設計）人: 郭靜菁;屠彥;王莉莉;楊蘭蘭;王保平
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G02B5/20
• 分類號: G02B5/20
• 代理公司: 江蘇永衡昭輝律師事務所32250
• 代理人: 王斌

技術領域

本發明涉及一種濾波器，尤其涉及一種基于表面等離子體激元的透射式濾波器，屬于表面等離子體激元濾波技術領域。

背景技術

表面等離子體激元是由光波和金屬表面自由電子在相同共振頻率條件下相互作用引起的集體振蕩，是一種表面電磁波模式。它局限于金屬與介質界面附近，能形成增強近場。表面等離子體激元對包括入射角度、光波長、介質材料和表面結構等在內的多個因素有極高的靈敏度，且具有尺寸微小，集成度高，突破衍射極限制約等優勢，因此常用于傳感、濾波等領域，并隨著微納光學的興起引起廣泛關注。

表面等離子體激元的激發需要動量補償，最簡單的方法是棱鏡耦合或光柵耦合。以光柵耦合方式為例，其結構如圖1所示，在基底103上刻蝕金屬光柵102，入射光101以某一角度入射到金屬光柵102上，其中滿足動量匹配條件的某一頻率的光波，在金屬光柵102與空氣的界面上激發表面等離子體激元，形成沿表面傳播的倏逝波，極小部分以反射光104和透射光105的形式出射。激發表面等離子體激元的光譜帶寬狹窄，但引起的倏逝波局限在金屬層表面，趨膚深度小于200nm，不能傳播至遠場(大于或等于五倍入射波長范圍)。通常，將表面等離子體激元應用于濾波器設計，利用的是“超透射現象”，即特定波長的光透過亞波長金屬二維孔陣列結構后，透射光強遠大于按照經典物理光學理論計算的結果，并且也遠大于按小孔所占金屬表面的面積比例直接計算得到的結果。和局限在表面傳播的表面等離子體激元激發不同，這種現象可以形成傳播場，透過光為一束發散角很小的光束，而不是向各個方向衍射，但其透射率通常小于50％，且光譜帶寬較寬。

表面等離子體激元對波長表現出的高敏感度，為其應用于高分辨率、真彩色顯示器件提供了可能性，但由于現有技術無法同時實現狹窄的光譜帶寬、高透射效率和遠場能量傳輸，限制了該技術在高分辨率顯示方面的實際應用。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術不足，提供一種基于表面等離子體激元的透射式濾波器，能有效實現特定波長光波的選擇透過，且透過率高于50％，透射波長可調諧，能量可傳播至遠場，適合于在高分辨率顯示方面的實際應用。

本發明具體采用以下技術方案解決上述技術問題：

基于表面等離子體激元的透射式濾波器，包括由電介質材料構成的厚度在300～3000nm范圍內的調制層，以及分別設置于調制層上、下表面的透明的上基底和下基底，上基底與調制層之間以及下基底與調制層之間分別設置有結構相同的上金屬光柵、下金屬光柵；上、下金屬光柵的周期為500～2000nm，厚度為20～40nm，且調制層上下兩側的結構關于調制層呈鏡像對稱分布。

優選地，所述調制層的厚度可調節。

優選地，所述調制層中電介質材料的折射率可調。

如上任一技術方案所述透射式濾波器的透射波長選擇方法，通過在300～3000nm范圍調整所述調制層厚度，和/或通過調整所述調制層中電介質材料的折射率，進行透射波長的選擇。

相比現有技術，本發明具有以下有益效果：

本發明采用鏡像對稱的光柵耦合型表面等離子體激發裝置，實現了對入射光波的入射角和波長的高靈敏度選擇，透過率高于50％，透射光可遠場傳播，且透射波長可調諧，與現有基于表面等離子體激元的濾波技術相比，整個系統同時實現了高效率窄帶濾波和遠場傳播，可應用于顯示設備。

附圖說明

圖1為現有表面等離子體激元光柵耦合激發裝置的結構原理示意圖；其中，101為入射光、102為金屬光柵、103為基底，104為反射光，105為透射光；

圖2為本發明透射式濾波器的結構原理示意圖；其中，201為入射光，202為上基底、203為上金屬光柵、204為調制層、205為下金屬光柵，206為下基底，207為透射光，208為反射光；

圖3(a)和圖3(b)分別為采用不同結構光柵的本發明透射式濾波器的結構示意圖；

圖4為本發明透射式濾波器中，不同調制層厚度所對應的波長和透射率的關系曲線；

圖5為本發明透射式濾波器一個優選實施例的結構原理示意圖；其中，201為入射光，202為上基底、203為上金屬光柵、204為調制層、205為下金屬光柵，206為下基底，207為透射光，208為反射光，209為直流電壓源。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的技術方案進行詳細說明：