[發明專利]基于無序金屬圓柱陣列的大角度的光學調色裝置及其方法

有效

• 申請號: 201510399273.2
• 申請日: 2015-07-09
• 公開（公告）號: CN104965253B
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發明（設計）人: 張冬仙;葉鳴;蔣瀟婷;孫理斌;胡曉琳;史斌;吳青峻;蔣建中
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G02B5/20
• 分類號: G02B5/20;G02B27/28
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司33200
• 代理人: 張法高

技術領域

本發明屬于光學濾波器領域，尤其涉及一種基于無序金屬圓柱陣列的大角度的光學調色裝置及其方法。

背景技術

近年來為克服傳統有機染料或化學顏料的顏色濾波器的耐腐蝕、耐高溫、耐輻射差以及集成工藝復雜、成本高等缺點，基于表面等離子激元的顏色濾波器引起了廣泛的研究?；诒砻娴入x子激元的顏色濾波器由于其結構及材料特性使得其能夠克服上述傳統顏色濾波器的缺點，然而要實現實際的替代應用，仍然有諸如透射率、偏振相關性、角度相關性、集成面臨的尺寸等問題需要解決。

在已經公開的專利及文獻中，在透射工作模式下，現有的研究重點集中在利用周期性的金屬微結構來解決透射率、偏振、尺寸等問題上。其利用周期性結構對光的衍射作用，將入射光以表面等離子激元的形式耦合到金屬表面，通過選擇性吸收增強作用實現了顏色的調控作用。但這些方法存在一個非常大的問題是，對光波矢的調制具有內在的對入射光角度的敏感性問題，從而使得利用周期性金屬微結構實現的顏色調控方法對光的入射角具有很強的敏感性。這種周期性結構色引入的角度相關性問題未得到較好地解決。因此新的解決方法對這種顏色濾波器是較為關鍵而且迫切需要的。

發明內容

本發明的目的在于克服了現有技術的不足，并提供了基于無序金屬圓柱陣列的偏振無關、大角度的光學調色方法。

一種基于無序金屬圓柱陣列大角度的光學調色裝置包括白光光源、第一準直透鏡、偏振片、玻璃基底、圓柱陣列、第二準直透鏡、聚焦透鏡、單模光纖、光譜儀；在玻璃基底上設有圓柱陣列，在玻璃基底下方順次設有偏振片、第一準直透鏡、白光光源，在玻璃基底上方順次設有第二準直透鏡、聚焦透鏡、單模光纖、光譜儀。

所述的圓柱陣列采用的材料為銀，其厚度為20~40nm，直徑為66~166nm。

所述的圓柱陣列圓柱間最短間距為80nm以上。

基于無序金屬圓柱陣列大角度的光學調色方法是：入射白光光源經過第一準直透鏡準直后，再由偏振片轉換成線偏振白光，繼而入射至玻璃基底和圓柱陣列，通過玻璃基底與圓柱陣列的界面形成的表面等離子共振效應將光調制成跟圓柱尺寸相關的具有選波特性的出射光；出射光經過第二準直透鏡和聚焦透鏡進行準直、聚焦后由單模光纖收集進入光譜儀，最后得到其光譜曲線；通過旋轉偏振片改變入射光的偏振方向，在不同入射光偏振方向下的調制特性不變，即調制光譜的透射率最低點對應的波長不變，透射光顏色保持不變；通過傾斜玻璃基底和圓柱陣列改變入射角度，在入射角從0度增加到60度時，調制光譜的透射率最低點對應的波長僅改變30nm。

在玻璃基底上設計隨機排列的低占空比超薄金屬銀圓柱陣列，當任意偏振的白光從玻璃基底入射時，光在玻璃-金屬界面形成表面等離子激元，利用單圓柱范圍內形成的局域表面等離子共振效應使得入射光在某一波長處的吸收增強，從而透射光在對應波長處的透射率受到抑制，最終在可見光范圍內實現了該波長對應顏色的互補顏色。顏色的調控只需通過簡單地改變圓柱的直徑便可實現。通過引入圓柱間的最小間距這一限制條件，保證了圓柱間相互獨立的局域表面等離子共振作用，從而實現該調色方法的偏振無關性和適應大角度的特性。

本發明具有結構簡單，尺寸小易于集成，耐高溫輻射，對入射光偏振無關和角度不敏感等優點，在未來的集成數字式顯示、投影、成像設備和生物醫學檢測設備中有良好的應用前景。

附圖說明

圖1 是基于無序金屬圓柱陣列的大角度的光學調色裝置示意圖；

圖2 是玻璃基底(4)、圓柱陣列(5)構成的顏色濾波器的俯視圖；

圖3 是對應三個不同圓柱直徑的顏色濾波器的仿真透射率曲線；

圖4 是實驗測得的對應三個不同圓柱直徑的顏色濾波器在不同入射光偏振方向下的透射率曲線；

圖5 是實驗測得的對應圓柱直徑為106nm的顏色濾波器在不同入射角條件下的透射率曲線。

具體實施方式

本發明提出了基于無序金屬圓柱陣列的偏振無關、大角度的光學調色方法。這種調色方法利用了單個圓柱激發的局域表面等離子共振的效應，白光照射到微納結構陣列上，在光譜的某個波段會產生透射率極小值，而對該波長以外的光具有超高透射率，相應的該顏色濾波器會呈現出該極小值波長所對應顏色的補色。該調色方法具有結構簡單，尺寸小易于集成，耐高溫輻射，對入射光偏振無關和角度不敏感等優點。

以下結合附圖和實施例對本發明做進一步的說明。