[發(fā)明專(zhuān)利]基于納米環(huán)圖案化界面的紫外濾光結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法

有效

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• 申請(qǐng)日: 2021-01-21
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112882144B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-11-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王嶺雪;東苗;蔡毅
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G02B5/20
• 分類(lèi)號(hào): G02B5/20;G02B5/00;G02B27/00
• 代理公司: 昆明正原專(zhuān)利商標(biāo)代理有限公司 53100
• 代理人: 亢能;陳左

本發(fā)明涉及一種基于納米環(huán)圖案化界面的紫外濾光結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法，該結(jié)構(gòu)包括設(shè)于玻璃基底上的金屬納米孔陣列，金屬納米孔陣列包括若干基本單元；基本單元包括一個(gè)金屬空氣柱孔和一組金屬納米環(huán)；金屬空氣柱孔穿透金屬薄膜，金屬納米環(huán)組位于玻璃基底界面上方，由若干個(gè)同心的金屬納米環(huán)組成；金屬空氣柱孔和金屬納米環(huán)組同軸。本發(fā)明有效解決了制備在玻璃基底上的納米圓孔陣列在紫外波段一個(gè)陣列周期對(duì)應(yīng)兩個(gè)透射峰的問(wèn)題，靈活度高；并且可使納米圓孔陣列在200?400nm波段獲得超過(guò)50%的峰值透射率，解決了納米圓孔陣列在紫外波段透射率低的問(wèn)題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和光學(xué)微納結(jié)構(gòu)與光電探測(cè)器集成領(lǐng)域，具體涉及一種基于納米環(huán)圖案化界面的紫外濾光結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)的紫外濾光結(jié)構(gòu)是高低折射率介質(zhì)在基底上交替堆積形成的多層膜，其選擇性透射的原理是特定波長(zhǎng)的光在特定厚度的多層介質(zhì)膜中傳播時(shí)產(chǎn)生干涉相長(zhǎng)，其余波長(zhǎng)的光通過(guò)多層膜吸收進(jìn)行截止。基于上述原理設(shè)計(jì)制作的多層膜紫外濾光結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)特點(diǎn)：

1、對(duì)膜層厚度非常敏感，不同膜層厚度對(duì)應(yīng)不同的透射中心波長(zhǎng)，雖然可通過(guò)改變膜層厚度來(lái)調(diào)整紫外濾光結(jié)構(gòu)的透射中心波長(zhǎng)，但是一旦確定了膜層厚度，多層膜的透射中心波長(zhǎng)也隨之確定，無(wú)法在一個(gè)膜層厚度下獲得多個(gè)透射中心波長(zhǎng)；

2、截止帶寬較窄，截止波段通常只覆蓋可見(jiàn)光波段，即400-800nm。較窄的截止帶寬使得在需要截止可見(jiàn)-近紅外波段的硅基紫外探測(cè)應(yīng)用中，多層膜紫外濾光結(jié)構(gòu)還需要額外疊加近紅外截止濾光片，這將導(dǎo)致透射的光能量降低。因此，多層膜紫外濾光結(jié)構(gòu)的這兩個(gè)特點(diǎn)嚴(yán)重限制了其在硅紫外探測(cè)器中的應(yīng)用，也不利于制作小型化的紫外探測(cè)系統(tǒng)。

光學(xué)厚度的金屬薄膜上被刻蝕了周期排列的、穿透薄膜的納米孔陣列時(shí)，該薄膜表面可以被激發(fā)表面等離子共振模式，從而產(chǎn)生選擇性透射現(xiàn)象。金屬的納米孔陣列被激發(fā)的表面等離子共振模式和金屬材料的特性有關(guān)。Al的納米孔陣列可在200-400nm紫外波段被激發(fā)表面等離子共振模式，因此可作為紫外濾光結(jié)構(gòu)使用。相比傳統(tǒng)多層膜紫外濾光結(jié)構(gòu)，Al納米孔陣列紫外濾光結(jié)構(gòu)是通過(guò)調(diào)整陣列周期來(lái)改變透射中心波長(zhǎng)的，因此可在同一光學(xué)厚度的Al薄膜上刻蝕不同周期的納米孔陣列，以獲得多個(gè)透射中心波長(zhǎng)。同時(shí)，基于金屬本征特性， Al納米孔陣列紫外濾光結(jié)構(gòu)在較長(zhǎng)波長(zhǎng)的400-1000nm可見(jiàn)-近紅外波段具有高的反射率，非常容易實(shí)現(xiàn)寬的截止帶寬，可不結(jié)合近紅外截止濾光片而直接應(yīng)用于硅紫外探測(cè)器。這種基于表面等離子共振原理設(shè)計(jì)的Al納米孔陣列紫外濾光結(jié)構(gòu)具有體積小、易集成的特點(diǎn)，在向著微型化發(fā)展的硅基紫外探測(cè)系統(tǒng)中嶄露頭角。

Al納米孔陣列雖可用作紫外濾光結(jié)構(gòu)，但由于制備在常用玻璃基底上時(shí)其兩側(cè)介質(zhì)的折射率不同，導(dǎo)致一個(gè)陣列周期通常對(duì)應(yīng)兩個(gè)透射峰：與Al-空氣界面相關(guān)的透射主峰和與Al-玻璃基底界面相關(guān)的透射次峰。透射次峰的存在一定程度上會(huì)降低截止帶寬，并影響窄紫外波段如240-280nm日盲紫外波段的應(yīng)用，因此，消除透射次峰、獲取單透射峰具有重要應(yīng)用價(jià)值。

目前，Al納米孔陣列用作可見(jiàn)-近紅外波段濾光結(jié)構(gòu)時(shí)，通常通過(guò)在其上沉積一層折射率和玻璃基底相同或者相近的介質(zhì)層來(lái)匹配折射率以獲得單透射峰。然而，大多數(shù)介質(zhì)在紫外波段存在吸收，導(dǎo)致折射率匹配方法獲取的單透射峰峰值透射率較低，僅20％左右。有研究者設(shè)計(jì)了Al納米孔的波導(dǎo)陣列紫外濾光結(jié)構(gòu)，利用金屬波導(dǎo)截止原理獲取了紫外波段的單透射峰，290nm處透射率27％，截止波段375-1000nm；還有研究者將Al納米孔陣列制備在多晶硅基底上，利用硅的高折射率獲取紫外波段的單透射峰，276nm處透射率21％，截止波段 370-1000nm。這些研究表明，Al納米孔陣列在紫外波段獲取單透射峰以及高透射率的方法是研究熱點(diǎn)，但截至目前取得的進(jìn)展還比較有限。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)目前納米孔陣列作為紫外濾光結(jié)構(gòu)時(shí)面臨存在透射次峰、透射率低的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于納米環(huán)圖案化界面的紫外濾光結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法。