[發(fā)明專利]一種多重納米柱陣列長(zhǎng)波通濾光片

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110610077.0
• 申請(qǐng)日: 2021-06-01
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113325504B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-07-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 余躍;錢沁宇;王欽華
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 揚(yáng)州大學(xué)
• 主分類號(hào): G02B5/20
• 分類號(hào): G02B5/20;G02B5/22
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 吳旭

本發(fā)明公開(kāi)了一種多重納米柱陣列長(zhǎng)波通濾光片，由陣列排布的波浪型亞波長(zhǎng)超表面單元構(gòu)成，波浪型亞波長(zhǎng)超表面單元包括基底以及在基底上設(shè)置的超表面結(jié)構(gòu)，超表面結(jié)構(gòu)為由獨(dú)立的GaAs納米圓柱等間距排布形成兩排“V”型倒波浪結(jié)構(gòu)以及兩排“Λ”型正波浪結(jié)構(gòu)依次間隔相對(duì)排布組成。平面波入射光自上而下垂直入射。本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種多重納米柱陣列的全新結(jié)構(gòu)形成的長(zhǎng)波通濾光片，這種長(zhǎng)波通濾光片在短波段的平均透過(guò)率低于1%，在長(zhǎng)波段的平均透過(guò)率可以達(dá)到97%以上。具體的，保持結(jié)構(gòu)在650?2000nm的長(zhǎng)波段具有極高透過(guò)率和在200?450nm的短波段具有極低的透過(guò)率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種長(zhǎng)波通濾光片。

背景技術(shù)

濾光片是一種用來(lái)選取所需波段的光學(xué)器件，目前制作傳統(tǒng)濾光片成熟的工藝主要有三種：第一種是在特制的光學(xué)玻璃上鍍上一層根據(jù)需求專門設(shè)計(jì)的光學(xué)膜層，這種工藝能夠滿足不同的需求做到個(gè)性化生產(chǎn)。但是除了以二氧化硅(SiO₂)為基材料外，其他類型的超低折射率材料具有較弱的機(jī)械性能，大大限制了他們的應(yīng)用場(chǎng)景。第二種工藝是用有色玻璃制作濾光片，這種工藝操作簡(jiǎn)單成本低同時(shí)具有美觀性。但是染料濾光片的像素較大，成像性質(zhì)較差。同時(shí)由于有色玻璃的制作方法是在玻璃中加入特定的染料，這就導(dǎo)致了有色玻璃的透光性較差且對(duì)環(huán)境具有一定的污染。第三種工藝是在光學(xué)塑料中加入特定染料制成濾光片。光學(xué)塑料具有一定的疏水性和柔韌性，但是由于光學(xué)塑料表面不耐刮，稍受外力作用就會(huì)導(dǎo)致表面出現(xiàn)刮痕進(jìn)而影響使用。在高溫環(huán)境中，由于溫度影響其機(jī)械結(jié)構(gòu)導(dǎo)致光學(xué)塑料中容易發(fā)生膜裂現(xiàn)象，這進(jìn)一步制約了光學(xué)塑料的應(yīng)用場(chǎng)景。

近年來(lái)，基于亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的等離子截止濾光片得到了很大的發(fā)展。等離子截止濾光片的基本原理是以包括金、銀、銅、鋁等在內(nèi)的貴金屬為介質(zhì)實(shí)現(xiàn)表面等離子激元共振從而實(shí)現(xiàn)超材料的特性。早在1902年Wood就在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)了表面等離子激元共振，1941年Fano根據(jù)金屬和空氣界面上電磁波的激發(fā)解釋了這一現(xiàn)象。金屬中除了有金屬離子外還存在很多游離的電子，這些電子并非一直處于被原子核束縛的狀態(tài)，當(dāng)光照到金屬表面，部分的電子發(fā)生躍遷跑到外圍來(lái)，然后在介質(zhì)與金屬表面與光子相互作用從而形成集體震蕩。這種共振的存在使得對(duì)于不同的頻率的光波會(huì)產(chǎn)生不同情況的反射、透射、衍射以及共振吸收。但在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，貴金屬作為等離子超材料損耗太高導(dǎo)致這些基于等離子激元的截止濾光片效率低下。另外，由于表面游離的電子在金屬界面產(chǎn)生，對(duì)表面介質(zhì)材料的折射率非常敏感，導(dǎo)致這些濾光片不能在大入射角情況下工作，這極大地限制了它們的應(yīng)用。

2016年，M.Ghasemi等人提出了一種基于超表面的梳狀濾波器。該濾波器由三層組成：被超表面包圍的亞波長(zhǎng)尺寸的周期性金納米棒，硅層和銀納米層。該結(jié)構(gòu)在受到電磁波沖擊時(shí)會(huì)產(chǎn)生多個(gè)吸收峰。超表面的作用就像梳子一樣吸收了某些頻譜頻率，其余頻譜被反射回去。

圖1為梳狀濾波器的截面示意圖，其中金納米棒的高度為d，直徑為10nm，兩個(gè)金納米棒的間隔為50nm。底部銀納米層的厚度為50nm，硅層夾在這兩者之間。金納米棒的長(zhǎng)度起著使波在其表面上的反射最小化的作用。硅介質(zhì)限制了EM波的傳播。銀層專門用于阻擋透射，從而最大程度地提高了最終吸收率。如超表面上的箭頭所示，入射的EM波與表面法線成θ角，該法線沿著金納米棒。

圖2中的(a)、(b)、(c)分別示出了當(dāng)金納米棒長(zhǎng)度d為50nm、100nm和150nm時(shí)p偏振入射的吸收率。圖(a)中當(dāng)入射波長(zhǎng)小于300nm入射角為75°時(shí)吸收率幾乎達(dá)到99％。隨著波長(zhǎng)在300-600nm范圍內(nèi)的增加，θ＝85°對(duì)應(yīng)的吸收率繼續(xù)增加，并且在525-575nm跨度內(nèi)變?yōu)樽畲笾?7％。比較三種不同的金納米棒長(zhǎng)度得知入射角和超表面的寬度在控制吸收特征方面起著重要作用。較高的入射角產(chǎn)生的吸收較小，對(duì)應(yīng)的超表面厚度較大。