[发明专利]窄带透射滤波器及片上光谱分析与成像系统

说明书

本发明公开了一种窄带透射滤波器及片上光谱分析与成像系统，所述滤波器包括基底，基底表面先形成光栅结构，然后沉积金属/类金属膜，或基底表面先沉积金属/类金属膜，然后形成光栅结构，通过改变基底材料、金属/类金属材料和光栅结构来调节带通中心波长；所述系统包括滤波器阵列和探测器阵列，滤波器阵列由多个不同带通中心波长的滤波器单元构成，每个滤波器单元采用上述的窄带透射滤波器，滤波器阵列的滤波器单元和探测器阵列的探测器单元一一对应组合。本发明的滤波器具有大的工作波长带宽和窄的通带，并且不同中心波长的滤波器可以一次图形化加工获得，通过与探测器阵列形成片上光谱分析与成像系统，大幅提高系统性能，并降低了系统复杂性。

技术领域

本发明涉及一种窄带透射滤波器及其制备方法、片上光谱分析与成像系统，属于光谱分析与成像领域。

背景技术

滤波器是将宽光谱入射光中的特定波长光在透射或者反射光中单独选择出来的一种器件。带通滤波器就是仅让特定波长光透过的一种滤波器，其主要性能指标就是波长选择性和工作波长范围。波长选择性体现在带通波长范围可以很窄，而且带通波长范围内光的透过率尽可能的高于非带通波长范围内光的透过率。工作波长范围是指低透射的非带通波长范围，越宽越好。一般通过反射或者吸收掉其他波长光的机制来实现带通滤波。比如利用共振腔的结构，即两个反射镜和中间的介质腔组成，通过干涉光相位匹配实现反射相消，获得特定波长光的透射。

近年IMEC推出的一款片上光谱仪就是基于这种原理通过多层膜介质反射镜形成一系列波长的滤波器，进而通过阵列化获得光谱分析能力。这种带通滤波器可以获得很好的波长选择性，带通波长范围可小于中心波长的1％。然而存在两个问题，一个是改变带通的中心波长需要改变介质腔的厚度，因此如果要制备一系列不同带通中心波长的滤波器需要不同工艺步骤来制备一系列不同的介质腔厚度，工艺复杂度很高，尤其对于片上光谱分析芯片而言，带来大数目的小尺寸像素单元的对准难题，此外波长选择性越好要求越多层的介质膜反射镜，制备工艺步骤就繁多；第二个问题是工作波长范围有限，这种多层介质膜反射镜的共振腔低透射波长范围由介质膜的高低折射率差决定，受限于现有材料的折射率范围，工作波长范围一般小于中心波长的五分之一，难以满足大波长范围的光谱分析应用。

除了上述介质膜体系，微纳光学共振结构也被广泛研究并展现了一定的滤波功能。Optics Express第18卷第14056页报道了一种金属纳米孔阵列结构的带通滤波器，通过表面等离子体共振引起的异常透射效应来实现滤波，可以通过简单改变平面内结构来实现不同带通波长，大大简化了不同带通中心波长滤波器阵列的加工工艺，但中心波长透过率较低仅30％，而且带通波长范围大于中心波长的20％，难以实现高精度的波长选择，无法满足高分辨率光谱分析的需求。Optics Express第20卷第21917页报道了一种金属反射镜共振腔的带通滤波器，通过在介质层制备不同填充率的孔结构实现对介质层有效折射率的调控，从而可以通过一次光刻工艺制备不同带通中心波长的滤波器，但是中心波长可调范围有限，而且存在金属反射镜共振腔滤波器透射率低的固有缺点，难以满足实际需要。OpticsLetters第40卷第5062页报道了介质光栅波导结构的带通滤波器，带通中心波长可以通过改变光栅和波导的尺寸来调节，展现了较高的透射率和很窄的带通波长范围，但是工作波长范围有限，不到带通中心波长的五分之一。Optics Letters第41卷第1913页报道了一种金属光栅波导结构的带通滤波器及其片上光谱应用，带通中心波长可以通过改变光栅和波导的尺寸来调节，展现了较高的透射率和较窄的带通波长范围，但是自由谱宽即两个透射峰波长间距较小，导致工作波长范围有限，不到带通中心波长的七分之一。

可以看到，以上述例子为代表的现有技术虽然都展现了带通滤波器，但波长选择性和光谱分辨率有限、工作波长范围窄，因此难以满足片上光谱分析与成像应用的技术需求。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种窄带透射滤波器及片上光谱分析与成像系统，其可以同时获得大工作波长范围和窄带透射，并实现具有高光谱分辨率和高集成度的片上光谱分析与成像能力。