[发明专利]表面等离子体纳米环滤光器

说明书

技术领域

本发明属于一种光功能器件，特别是一种滤光器，具体是一种具有纳米环结构的滤光器。

背景技术

自1998年法国科学家Ebbesen等人首次发现光在金属亚波长结构中的异常传输现象(extraordinary optical transmission，EOT)[1]以来，有关表面等离子体的相关研究已经取得了广泛的关注和长足的发展。运用表面等离子体原理所制备的器件具有分辨率高、易调制、性能卓越等优点，并且已经在光电、新能源(太阳能电池)、数据存储、显微成像等领域取得了广泛的应用。其中，尤其以滤光器件的发展最为迅速，应用前景也最为广阔。英国科学家Pendry分别于2000年和2006年提出了具有负折射率的超级透镜[2]以及通过坐标变换方法[3]得到隐身条件的概念，使得科学界重新认识和审视超常介质的异常电磁特性和隐身效应及其相关应用。随后，Ebbesen课题组于2008年再次提出运用周期结构的线性凹槽光栅对宽带(broadband)白光源进行滤光[4]的方法，为滤光器件的发展开启了新的纪元。Ebbesen等人设计的结构如图1(a)中所示，用一束白光源照射到一个位于300纳米厚的银膜中宽度为170纳米的缝隙的下表面，在上表面一端此缝隙的两侧分别刻蚀出深度不同的凹槽。纳米缝隙两侧的凹槽可以起到天线的作用，收集透射过纳米缝隙的光信号，而且透射过来的信号波峰的位置与天线凹槽的周期大小紧密相关。因此，通过使用不同周期的天线凹槽，可以精确控制透射过纳米缝的光波长，进而达到分光的效果。随后，在2010年，L.Jay Guo课题组提出运用一维金属-绝缘体-金属(metal-insulator-metal，MIM)层堆结构[5]对宽带的白光源进行分光，如图1(b)中所示。一维的周期光栅结构对于白光源也具有波长选择性，并且波峰的位置可以通过调制光栅的周期进行精密的控制。紧接着，同一课题组的科研人员又把类似的滤光器结构内嵌入有机太阳能电池[6]中，并且收到了非常好的能量捕获效果。随后，光子晶体滤光器[7]、硅纳米线滤光器[8]和“十字形”滤光器[9]先后被报道，使得类似的器件得到了充分的研究并引起了科学界的广泛重视。但是，不论是一维的凹槽天线/层堆线性光栅结构还是“十字形”结构，都对入射光源的偏振方向具有很强的选择要求。因为一维的凹槽和层堆光栅本身都是非对称的结构，所以只有当入射光磁场方向平行于凹槽或光栅(横磁波，transverse-magnetic wave)才具有分光效果。而在现实生活中，大部分光源都是非偏振的自然光(如太阳光)。因此，线性结构的偏振选择性大大限制了此类滤光器件的适用范围。此外，由于偏振敏感性会造成一部分光能量无法透过滤光器而是被反射或吸收，使得类似滤光器的透射效率很低，降低了仪器的使用性能。

发明内容

为解决线性光栅/凹槽类滤光器所存在的偏振敏感性问题，本发明提出一种表面等离子体纳米环滤光器，该表面等离子体纳米环滤光器运用高度对称的圆环结构解决了天线凹槽和一维层堆光栅型滤光器都普遍存在的偏振敏感性问题，使得类似滤光器件的应用范围更广，更能适应非偏振的自然光。

本发明是通过以下技术方案来实现的：表面等离子体纳米环滤光器，其特征是在于：设有基层材料，在基层材料上粘贴有贵金属膜，所述贵金属膜上设有用聚焦离子束刻蚀方法加工的圆环矩阵，所述圆环矩阵中的每个圆环的内径和外径可根据不同的单色光预先设定。

进一步的所述基层材料采用石英、玻璃中的一种。

进一步的所述贵金属膜采用金属金、银、铂中的一种制成。