CN101256246A - 基于金属表面等离子激元的微型阵列滤光片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于金属表面等离子激元的微型阵列滤光片。它是在光学基板上设有多个阵列单元，每个阵列单元中间设有一个亚波长细缝，亚波长细缝两侧间隔设有多个入射面或出射面或入射面和出射面对称分布的线性栅格凹槽，线性栅格凹槽的间距与线性栅格凹槽的宽度相同。本发明制作工艺简单、体积小，可与LED、光敏探测、光学成像传感器等结合，构成亚波长、高分辨率、集成度高的各种滤光片及成像光谱仪，在光学刻蚀、高密度数据存储、近场光学、空间探测、以及医疗诊断中有广泛的应用前景。可用于微波、红外以及可见光波段。
Description
技术领域
本发明涉及滤光器件，尤其涉及一种基于金属表面等离子激元的微型阵列滤光片。
背景技术
滤光片的功能主要为光学滤波器，可以在工作波段内过滤特定波长光源，截至其他波长的入射光。传统的滤光片主要结构为镜片之一侧镀上多层高低反射率材料相间的介质层来达到滤光的效果。这样的传统结构只能实现最基本的滤波功能，应用范围比较单一。
表面等离子体简单的来说是局域在导体(一般是金属)界面上自由电子与入射光子的倐逝波，通过合适的结构装置可以实现其耦合激发，亚波长是指在参考波长一半以内的尺寸。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于金属表面等离子激元的微型阵列滤光片。
基于金属表面等离子激元的微型阵列滤光片是在光学基板上设有多个阵列单元，每个阵列单元中间设有一个亚波长细缝，亚波长细缝两侧间隔设有多个入射面或出射面或入射面和出射面对称分布的线性栅格凹槽，线性栅格凹槽的间距与线性栅格凹槽的宽度相同。
所述的线性栅格凹槽为4-10个。线性栅格凹槽优选为5个。光学基板为银、金、铜或铝。光学基板优选为银。入射面线性栅格凹槽的宽度D′1＝225±5nm时，为蓝光滤光片，线性栅格凹槽的宽度D′2＝250±5nm，为绿光滤光片，线性栅格凹槽的宽度D′3＝302.5±5nm，为红光滤光片。
本发明将单元结构放大或缩小一个因子，相应的工作波长也随之放大或缩小相同的因子，而又保证透射增强的性能指标不变。利用线性亚波长细缝与线性光栅结合结构实现了基于面积归一化透射增强的滤光，适用于垂直入射和倾斜入射两种情况。而光束集束器件也适用于一般平行光及高斯光束，都具有结构简单，易集成化，材料选择范围广，工艺流程简单等，耐高温等优点，可与LED、光敏探测、光学成像传感器等结合，在光学刻蚀、高密度数据存储、近场光学、空间探测、以及医疗诊断中有广泛的应用前景。适用于微波、红外和可见光波段。
附图说明
图1是基于金属表面等离子激元的微型阵列滤光片结构示意图；
图2是本发明的阵列单元结构剖面图；
图3是本发明的阵列单元结构示意图；其中2是基底材料即银膜，3是亚波长的线性细缝，4是在亚波长线性细缝两侧的光栅结构；
图4是基于红绿蓝三色入射波长的透射增强透射率曲线示意图；
图5是基于出射面光束集束的结构单元，其中出射面两侧光栅周期不相同。
具体实施方式
如图1所示，基于金属表面等离子激元的微型阵列滤光片是在光学基板1上设有多个阵列单元，每个阵列单元中间设有一个亚波长细缝2，亚波长细缝2两侧间隔设有多个入射面或出射面或入射面和出射面对称分布的线性栅格凹槽3，线性栅格凹槽的间距与线性栅格凹槽的宽度相同。
所述的线性栅格凹槽3为4-10个。线性栅格凹槽3优选为5个。光学基板为银、金、铜或铝。光学基板优选为银。入射面线性栅格凹槽3的宽度D′1＝225±5nm时，为蓝光滤光片，线性栅格凹槽3的宽度D′2＝250±5nm，为绿光滤光片，线性栅格凹槽3的宽度D′3＝302.5±5nm，为红光滤光片。
本发明利用聚焦离子束(Focused Ion Beam)或者电子束刻蚀的薄膜制备工艺，在提高器件的集成度的同时，其阵列结构又能获得很好的多个参考波段对波长或角度的滤波效果，最重要的是基于透射孔面积归一化的增强作用，这种增强作用一般为2-5倍，甚至可至10倍。在此基础上，在结构单元的出射面加栅格凹槽结构，可构成对出射光的光束集束器件。
实施例1.P偏振光垂直入射下的基于面积归一化透射增强的微型阵列滤光片
普通蓝色LED波长λ1＝465±5nm，绿色LED波长λ2＝520±5nm，红色LED波长λ3＝630±5nm，结合参考波长，微型阵列滤光片结构简图如图1所示，其中选取金属银(Ag)为光学基板材料，每个阵列单元中间设有一个亚波长细缝，亚波长细缝两侧间隔设有5个入射面对称分布的线性栅格凹槽，线性栅格凹槽的间距与线性栅格凹槽的宽度相同。透射单元结构有三种不同的尺寸，可以实现基于红、绿、蓝三色入射波长的透射增强滤光片。图1中亚波长细缝宽度选取d1＝160nm、d2＝170nm、d3＝190nm，亚波长细缝两侧的栅格凹槽的周期分别为：D1＝450nm、D2＝500nm、D3＝605nm，即栅格凹槽的宽度为：D′1＝225nm、D′2＝250nm、D′3＝302.5nm。利用了入射波与金属薄膜材料与空气界面的表面等离子波的耦合激发，其中耦合激发的波长与两侧对称分布的栅格凹槽周期直接相关，就可以实现对特定波长的激发。对于其他波长的入射波，由于亚波长细缝的截至作用不能实现透射，从而实现滤波的作用。由于表面等离子体耦合激发的透射增强的特性，可以实现基于亚波长细缝面积归一化的透射增强，这种增强作用约为4-5倍。其基于面积归一化的透射率示意图如图4，通过合理的结构设置均能实现对参考波长的增透增强。结合LED的结构，实现封装，即可实现针对红、绿、蓝三种LED的基于面积发光强度提升的器件。例如大面积的阵列滤光片可以实现阵列显示。
实施例2.P偏振光垂直入射情况下的亚波长细缝与线性栅格凹槽结合的透射增强及光束集束器件
透射结构单元如图5所示，其中选取金属银(Ag)为光学基板材料，每个阵列单元中间设有一个亚波长细缝，亚波长细缝两侧间隔设有5个入、出射面均有的对称分布的线性栅格凹槽，线性栅格凹槽的间距与线性栅格凹槽的宽度相同。入射面栅格凹槽周期Din＝600nm，即栅格凹槽的宽度为D′in＝300nm，出射面两侧栅格凹槽的周期分别为：Dout1＝720nm与Dout2＝420nm，即栅格凹槽的宽度分别为：D′out1＝360nm、Dout2＝210nm，各栅格凹槽的深度均为h＝80nm。参考波长亚波长尺寸的细缝的宽度选为d＝180nm，金属光学基板的厚度为t＝480nm。利用出射波与出射侧栅格凹槽的耦合，使得出射光沿定方向出射，实现基于面积归一化透射增强的作用及光束集束作用，分析说明可以实现针对常见激光波长λ＝633nm高斯光束透射增强，并出射角17°单侧光束集束。
Claims (6)
1.一种基于金属表面等离子激元的微型阵列滤光片，其特征在于在光学基板(1)上设有多个阵列单元，每个阵列单元中间设有一个亚波长细缝(2)，亚波长细缝(2)两侧间隔设有多个入射面或出射面或入射面和出射面对称分布的线性栅格凹槽(3)，线性栅格凹槽的间距与线性栅格凹槽的宽度相同。
2.根据权利要求1所述的一种基于金属表面等离子激元的微型阵列滤光片，其特征在于所述的线性栅格凹槽(3)为4-10个。
3.根据权利要求2所述的一种基于金属表面等离子激元的微型阵列滤光片，其特征在于所述的线性栅格凹槽(3)为5个。
4.根据权利要求1所述的一种基于金属表面等离子激元的微型阵列滤光片，其特征在于所述的光学基板为银、金、铜或铝。
5.根据权利要求4所述的一种基于金属表面等离子激元的微型阵列滤光片，其特征在于所述的光学基板为银。
6.根据权利1所述的一种基于金属表面等离子激元的微型阵列滤光片，其特征在于所述的入射面线性栅格凹槽(3)的宽度D′1＝225±5nm时，为蓝光滤光片，线性栅格凹槽(3)的宽度D′2＝250±5nm，为绿光滤光片，线性栅格凹槽(3)的宽度D′3＝302.5±5nm，为红光滤光片。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20080903 |