[发明专利]一种基于超表面阵列结构的长波通滤光片

说明书

本发明公开了一种基于超表面阵列结构的长波通滤光片，包括基底、过渡层以及超表面结构三层；每个阵列单元的超表面结构由两部分组成，第一部分为由GaAs条状材料堆叠而成的呈上下立体的“井”字型结构；第二部分为镶嵌在过渡层中并且球心与过渡层中心点重合的GaAs圆球，平面波入射光自下而上入射。本发明基于亚波长超表面结构内共振特性的滤除紫外线的长波通滤光片，从整个波段来看，透过率曲线图中呈现出一个较为完美的阶梯型走势，在短波波段透过率极低，在长波波段透过率极高，低透过率波段与高透过率波段之间的截止波段占据比例极小，截止斜率十分陡峭。即本长波通滤光片可以在紫外波段和红外波段工作，具有良好的紫外阻断和红外透过性能。

技术领域

本发明涉及一种基于超表面阵列结构的长波通滤光片。

背景技术

滤光片是一种用来选取所需波段的光学器件，通常是在塑料或玻璃片加入特种染料或者是添加光学镀膜做成的。在传统滤光片中始终存在几何误差和波传播偏差，这在一定程度上限制了滤光片的性能。近年来，亚波长大小的超表面结构滤光片可以很好的克服传统滤光片中存在的问题。超表面是指一种厚度小于波长的人工层状材料。超表面可实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。其具有低剖面，低损耗，易于设计和实现的特性。

近年来，基于亚波长结构的等离子截止滤波器得到了很大的发展，但是由于不可避免的金属损失，这些基于等离子激元的截止滤波器效率低下。另外，由于表面等离子体激元共振的自然特性，这些滤波器不能在大入射角情况下工作，这极大地限制了它们的应用。

非金属截止滤波器作为一种前景广阔的滤波器，已经受到越来越多的关注。非金属且角度不敏感的超表面透射长通滤波器，它在长波中具有高透射率，在短波中具有高抑制透射率。非金属滤光片提出了一种新颖的滤光片设计方法，该方法具有众多优点：角度不敏感，易于制造，面积大，效率高。其在液晶显示器制造，光学通讯，传感器检测和成像等领域具有重要的应用前景。

2010年，Qin等人在基于表面等离子体共振的玻璃铝膜上引入了三种由亚波长三角晶格孔阵列组成的反射滤波器。每个过滤器的红、绿、蓝光在正常情况下的透射率为0.3,ER为10.79dB,ED为0.275,CS为0.003nm^-1。2013年，Zhu等人研究了双层光栅滤波器(硅和金)的性能，该滤光片在入射角小于15°时效果很好，而在入射角为30°时透射率降低一半。已经发现，由于不可避免的金属损失，这些基于等离子激元的截止滤波器的效率低下。另外，由于表面等离子体激元共振的自然特性，这些滤波器不能在大入射角情况下工作，这极大地限制了它们的应用。2019年，Khoshdel等人提出了一种周期性的等离子体交叉形纳米天线阵列作为紫外(UV)和红外(IR)截止滤波器。他们提出的纳米天线可以分别阻挡79.6％的UV和65.2％的IR，其中ER的平均值为4.94dB和12.04dB,ED为0.53和0.75,CS为0.004nm^-1和0.002nm^-1。

在亚波长结构的等离子截止滤波器研究的基础上，非金属截止滤波器得到了长足的发展。

2009年，Cheong等人提出了一种基于二维亚波长超表面阵列结构的反射带通滤波器。光栅由晶体硅和在x，y方向上具有相同周期的正方形晶格组成。通过改变包括光栅周期，厚度和宽度在内的几何参数来优化2D光栅结构。光栅滤波显示了在中心波长520nm，光谱宽度在80nm左右约0.6(30°以下入射为0.5)的反射,在截止波长中的反射为0.05(30°以下入射为0.1),即ER为10.79dB,ED为0.55，CS为0.022nm^-1。

2012年，Butt等人展示了一种使用镀金的硅纳米柱的二维阵列的金属过滤器。然而在950nm波段内，ER为6.99dB,ED为0.8,CS为0.004nm^-1，性能对入射角非常敏感，特别是CW蓝移到650nm。