基于表面等离子体激元的透射式滤波器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种滤波器，尤其涉及一种基于表面等离子体激元的透射式滤波器， 属于表面等离子体激元滤波技术领域。
【背景技术】
[0002] 表面等离子体激元是由光波和金属表面自由电子在相同共振频率条件下相互作 用引起的集体振荡，是一种表面电磁波模式。它局限于金属与介质界面附近，能形成增强近 场。表面等离子体激元对包括入射角度、光波长、介质材料和表面结构等在内的多个因素有 极高的灵敏度，且具有尺寸微小，集成度高，突破衍射极限制约等优势，因此常用于传感、滤 波等领域，并随着微纳光学的兴起引起广泛关注。
[0003] 表面等离子体激元的激发需要动量补偿，最简单的方法是棱镜耦合或光栅耦合。 以光栅耦合方式为例，其结构如图1所示，在基底103上刻蚀金属光栅102,入射光101以某 一角度入射到金属光栅102上，其中满足动量匹配条件的某一频率的光波，在金属光栅102 与空气的界面上激发表面等离子体激元，形成沿表面传播的倏逝波，极小部分以反射光104 和透射光105的形式出射。激发表面等离子体激元的光谱带宽狭窄，但引起的倏逝波局限 在金属层表面，趋肤深度小于200nm，不能传播至远场（大于或等于五倍入射波长范围）。通 常，将表面等离子体激元应用于滤波器设计，利用的是"超透射现象"，即特定波长的光透过 亚波长金属二维孔阵列结构后，透射光强远大于按照经典物理光学理论计算的结果，并且 也远大于按小孔所占金属表面的面积比例直接计算得到的结果。和局限在表面传播的表面 等离子体激元激发不同，这种现象可以形成传播场，透过光为一束发散角很小的光束，而不 是向各个方向衍射，但其透射率通常小于50%，且光谱带宽较宽。
[0004] 表面等离子体激元对波长表现出的高敏感度，为其应用于高分辨率、真彩色显示 器件提供了可能性，但由于现有技术无法同时实现狭窄的光谱带宽、高透射效率和远场能 量传输，限制了该技术在高分辨率显示方面的实际应用。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种基于表面等离子体 激元的透射式滤波器，能有效实现特定波长光波的选择透过，且透过率高于50%，透射波长 可调谐，能量可传播至远场，适合于在高分辨率显示方面的实际应用。
[0006] 本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
[0007] 基于表面等离子体激元的透射式滤波器，包括由电介质材料构成的厚度在300~ 3000nm范围内的调制层，以及分别设置于调制层上、下表面的透明的上基底和下基底，上 基底与调制层之间以及下基底与调制层之间分别设置有结构相同的上金属光栅、下金属光 栅；上、下金属光栅的周期为500~2000nm，厚度为20~40nm，且调制层上下两侧的结构关 于调制层呈镜像对称分布。
[0008] 优选地，所述调制层的厚度可调节。
[0009] 优选地，所述调制层中电介质材料的折射率可调。
[0010] 如上任一技术方案所述透射式滤波器的透射波长选择方法，通过在300~3000nm 范围调整所述调制层厚度，和/或通过调整所述调制层中电介质材料的折射率，进行透射 波长的选择。
[0011] 相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
[0012] 本发明采用镜像对称的光栅耦合型表面等离子体激发装置，实现了对入射光波的 入射角和波长的高灵敏度选择，透过率高于50%，透射光可远场传播，且透射波长可调谐， 与现有基于表面等离子体激元的滤波技术相比，整个系统同时实现了高效率窄带滤波和远 场传播，可应用于显示设备。
【附图说明】
[0013] 图1为现有表面等离子体激元光栅耦合激发装置的结构原理示意图；其中，101为 入射光、102为金属光栅、103为基底，104为反射光，105为透射光；
[0014] 图2为本发明透射式滤波器的结构原理示意图；其中，201为入射光，202为上基 底、203为上金属光栅、204为调制层、205为下金属光栅，206为下基底，207为透射光，208 为反射光；
[0015] 图3(a)和图3(b)分别为采用不同结构光栅的本发明透射式滤波器的结构示意 图；
[0016] 图4为本发明透射式滤波器中，不同调制层厚度所对应的波长和透射率的关系曲 线；
[0017] 图5为本发明透射式滤波器一个优选实施例的结构原理示意图；其中，201为入射 光，202为上基底、203为上金属光栅、204为调制层、205为下金属光栅，206为下基底，207 为透射光，208为反射光，209为直流电压源。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
[0019] 图2显示了本发明透射式滤波器的基本结构与原理。如图2所示，本发明透射式 滤波器包括由电介质材料构成的厚度在300~3000nm范围内的调制层204,以及分别设置 于调制层上、下表面的透明的上基底202和下基底206,上基底202与调制层204之间以及 下基底206与调制层204之间分别设置有结构相同的上金属光栅203、下金属光栅205 ;上 金属光栅203、下金属光栅205的周期为500~2000nm，厚度为20~40nm;调制层204上 下两侧的结构（即上基底202+上金属光栅203和下基底206+下金属光栅205)关于调制 层呈镜像对称分布。
[0020] 工作时，宽频的入射光201以某一角度入射，其中特定频率的TM模入射光通过上 基底202后，一部分被上金属光栅203反射，在入射光201同侧形成反射光208 ;另一部分 满足动量匹配原则，在上金属光栅203和调制层204的界面上激发表面等离子体激元共振 波，因调制层204厚度足够薄（厚度在20~40nm)，所以上金属光栅203/调制层204界面 上的共振波使得调制层204/下金属光栅205的界面上生成具有相同频率特性的表面等离 子体共振波，并从下基底206透射出来，形成透射光207。
[0021] 其中的上金属光栅203、下金属光栅205可为正弦型、矩形（如图3(a)所示）、闪 耀光栅（如图3(b)所示）等常见一维光栅结构，改变光栅周期、光栅厚度、填充因子等结构 参数，可以改变表面等离子体激元激发时的入射角和透射率。引入金属光栅的原因是，在介 质表面镀金属膜无法直接光耦合，要实现表面等离子体的激发，需要对光波给予补偿，使其 能够和SPPs的波矢匹配。一种方法是是利用衍射效应来实现光子波矢的补偿，在金属表面 刻蚀衍射光栅，补偿激发表面等离子体激元的波矢，使电磁波满足动量守恒的条件：
【主权项】
1. 基于表面等离子体激元的透射式滤波器，其特征在于，包括由电介质材料构成的厚 度在300~3000nm范围内的调制层，以及分别设置于调制层上、下表面的透明的上基底和下 基底，上基底与调制层之间以及下基底与调制层之间分别设置有结构相同的上金属光栅、 下金属光栅；上、下金属光栅的周期为500~2000nm，厚度为20~40nm，且调制层上下两侧的 结构关于调制层呈镜像对称分布。
2. 如权利要求1所述透射式滤波器，其特征在于，所述调制层的厚度可调节。
3. 如权利要求1所述透射式滤波器，其特征在于，所述调制层中电介质材料的折射率 可调。
4. 如权利要求3所述透射式滤波器，其特征在于，所述电介质材料为磁光材料、电光材 料或光弹性材料。
5. 如权利要求4所述透射式滤波器，其特征在于，所述电介质材料为电光材料；所述滤 波器还包括输出电压可调的直流电压源，所述直流电压源的正、负输出端分别与上金属光 栅、下金属光栅电连接。
6. 如权利要求1所述透射式滤波器，其特征在于，上、下基底的材质为无机材料。
7. 如权利要求1所述透射式滤波器的透射波长选择方法，其特征在于，通过在 300~3000nm范围调整所述调制层厚度，和/或通过调整所述调制层中电介质材料的折射 率，进行透射波长的选择。
8. -种显示装置，包括一组显示像元，其特征在于，所述显示像元包括如权利要求1~ 6任一项所述透射式滤波器。
【专利摘要】本发明公开了一种基于表面等离子体激元的透射式滤波器，属于表面等离子体激元滤波技术领域。本发明滤波器包括由电介质材料构成的厚度在300~3000nm范围内的调制层，以及分别设置于调制层上、下表面的透明的上基底和下基底，上基底与调制层之间以及下基底与调制层之间分别设置有结构相同的上金属光栅、下金属光栅；上、下金属光栅的周期为500~2000nm，厚度为20~40nm，且调制层上下两侧的结构关于调制层呈镜像对称分布。本发明还公开了上述透射式滤波器的透射波长选择方法及一种显示装置。本发明能有效实现特定波长光波的选择透过，且透过率高于50%，透射波长可调谐，能量可传播至远场，适合于在高分辨率显示方面的实际应用。
【IPC分类】G02B5-20
【公开号】CN104793277
【申请号】CN201510214207
【发明人】郭静菁, 屠彦, 王莉莉, 杨兰兰, 王保平
【申请人】东南大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月29日