[发明专利]一种多重纳米柱阵列长波通滤光片

说明书

本发明公开了一种多重纳米柱阵列长波通滤光片，由阵列排布的波浪型亚波长超表面单元构成，波浪型亚波长超表面单元包括基底以及在基底上设置的超表面结构，超表面结构为由独立的GaAs纳米圆柱等间距排布形成两排“V”型倒波浪结构以及两排“Λ”型正波浪结构依次间隔相对排布组成。平面波入射光自上而下垂直入射。本发明设计了一种多重纳米柱阵列的全新结构形成的长波通滤光片，这种长波通滤光片在短波段的平均透过率低于1%，在长波段的平均透过率可以达到97%以上。具体的，保持结构在650‑2000nm的长波段具有极高透过率和在200‑450nm的短波段具有极低的透过率。

技术领域

本发明涉及一种长波通滤光片。

背景技术

滤光片是一种用来选取所需波段的光学器件，目前制作传统滤光片成熟的工艺主要有三种：第一种是在特制的光学玻璃上镀上一层根据需求专门设计的光学膜层，这种工艺能够满足不同的需求做到个性化生产。但是除了以二氧化硅(SiO₂)为基材料外，其他类型的超低折射率材料具有较弱的机械性能，大大限制了他们的应用场景。第二种工艺是用有色玻璃制作滤光片，这种工艺操作简单成本低同时具有美观性。但是染料滤光片的像素较大，成像性质较差。同时由于有色玻璃的制作方法是在玻璃中加入特定的染料，这就导致了有色玻璃的透光性较差且对环境具有一定的污染。第三种工艺是在光学塑料中加入特定染料制成滤光片。光学塑料具有一定的疏水性和柔韧性，但是由于光学塑料表面不耐刮，稍受外力作用就会导致表面出现刮痕进而影响使用。在高温环境中，由于温度影响其机械结构导致光学塑料中容易发生膜裂现象，这进一步制约了光学塑料的应用场景。

近年来，基于亚波长结构的等离子截止滤光片得到了很大的发展。等离子截止滤光片的基本原理是以包括金、银、铜、铝等在内的贵金属为介质实现表面等离子激元共振从而实现超材料的特性。早在1902年Wood就在光学实验中首次发现了表面等离子激元共振，1941年Fano根据金属和空气界面上电磁波的激发解释了这一现象。金属中除了有金属离子外还存在很多游离的电子，这些电子并非一直处于被原子核束缚的状态，当光照到金属表面，部分的电子发生跃迁跑到外围来，然后在介质与金属表面与光子相互作用从而形成集体震荡。这种共振的存在使得对于不同的频率的光波会产生不同情况的反射、透射、衍射以及共振吸收。但在实践中发现，贵金属作为等离子超材料损耗太高导致这些基于等离子激元的截止滤光片效率低下。另外，由于表面游离的电子在金属界面产生，对表面介质材料的折射率非常敏感，导致这些滤光片不能在大入射角情况下工作，这极大地限制了它们的应用。

2016年，M.Ghasemi等人提出了一种基于超表面的梳状滤波器。该滤波器由三层组成：被超表面包围的亚波长尺寸的周期性金纳米棒，硅层和银纳米层。该结构在受到电磁波冲击时会产生多个吸收峰。超表面的作用就像梳子一样吸收了某些频谱频率，其余频谱被反射回去。

图1为梳状滤波器的截面示意图，其中金纳米棒的高度为d，直径为10nm，两个金纳米棒的间隔为50nm。底部银纳米层的厚度为50nm，硅层夹在这两者之间。金纳米棒的长度起着使波在其表面上的反射最小化的作用。硅介质限制了EM波的传播。银层专门用于阻挡透射，从而最大程度地提高了最终吸收率。如超表面上的箭头所示，入射的EM波与表面法线成θ角，该法线沿着金纳米棒。

图2中的(a)、(b)、(c)分别示出了当金纳米棒长度d为50nm、100nm和150nm时p偏振入射的吸收率。图(a)中当入射波长小于300nm入射角为75°时吸收率几乎达到99％。随着波长在300-600nm范围内的增加，θ＝85°对应的吸收率继续增加，并且在525-575nm跨度内变为最大值97％。比较三种不同的金纳米棒长度得知入射角和超表面的宽度在控制吸收特征方面起着重要作用。较高的入射角产生的吸收较小，对应的超表面厚度较大。