基于Ag微納結(jié)構(gòu)陣列的光學(xué)濾波器研究.pdf

1、等離子光學(xué)濾波器在下一代光學(xué)濾波相關(guān)的應(yīng)用中具有超越衍射極限的尺寸、寬的可調(diào)節(jié)性、極限環(huán)境中穩(wěn)定的光學(xué)性能、和與設(shè)備集成的兼容性等優(yōu)勢，已成為研究熱點(diǎn)之一，若要將其用于商業(yè)應(yīng)用中，需要進(jìn)一步提升器件性能實(shí)現(xiàn)超越現(xiàn)有的技術(shù)方案和大規(guī)模削減微納結(jié)構(gòu)加工的成本。本文針對這些方面著手進(jìn)行了一系列的研究。
　　首先對Ag線光柵等離子減色濾光片開展了研究。等離子彩色濾光片是等離子光學(xué)濾波器最具應(yīng)用前景的代表，我們以Ag這種常規(guī)材料為例，設(shè)計了

2、玻璃基底上超薄Ag膜的亞微米一維線光柵，仿真研究了Ag膜厚度和光柵周期對其濾波特性的影響。基于仿真結(jié)果，我們擬合出了透射率最小值波長以Ag膜厚度和光柵周期為變量的經(jīng)驗公式。利用該經(jīng)驗公式我們實(shí)際制作了濾光片，并對其可信度進(jìn)行了一系列的實(shí)驗驗證，實(shí)驗結(jié)果表明該公式用來指導(dǎo)一維線光柵彩色濾光片的設(shè)計非常有效，獲得的濾光片具有結(jié)構(gòu)簡單、透射率高、分辨率高以及偏振相關(guān)的特性。
　　其次，研究了一種TE/TM偏振無關(guān)的等離子減色濾光片。設(shè)計

3、了二維超薄Ag納米圓盤，利用其反常超低透射（ELT）現(xiàn)象，在可見光波段的最高透射率可以達(dá)到70％以上。系統(tǒng)地開展了Ag膜膜厚和納米圓盤周期大小對濾波特性影響的理論和實(shí)驗研究，并根據(jù)研究結(jié)果，優(yōu)化幾何參數(shù)，設(shè)計出所需的基于納米圓盤結(jié)構(gòu)的等離子減色濾光片。這種TE/TM偏振無關(guān)減色濾光片，因為在可見光波段具有很小的尺寸和很高的透射率，在未來數(shù)碼成像、信息存儲和傳感領(lǐng)域都有很樂觀的應(yīng)用前景。
　　隨后，設(shè)計了一種新型雙層光柵結(jié)構(gòu)近紅外光

4、濾波器。它同時具有帶阻和帶通兩種工作模式，仿真和實(shí)驗均證實(shí)了其在近紅外波段反射光譜中阻帶的存在，而其在近紅外波段的透射光譜中存在通帶的結(jié)論也通過仿真證明是正確的。我們對這種新型濾波器在不同條件下的濾波特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，獲得的結(jié)果表明具有圓形孔洞結(jié)構(gòu)并使用Ag作為金屬膜的濾波器呈現(xiàn)出超過500 nm的帶阻、帶通寬度，而且阻帶、通帶同樣受到結(jié)構(gòu)參數(shù)的強(qiáng)烈影響。我們制備了三種帶阻濾波器進(jìn)行實(shí)際測試分析，實(shí)驗結(jié)果與仿真結(jié)果非常吻合。同時，我們

5、從仿真結(jié)果中尋找到了三種具有應(yīng)用前景的帶通濾波器，雖然因為蒸鍍Ag使得在納米孔里PMMA墻壁上存在很多大約數(shù)十納米的Ag納米顆粒，最終導(dǎo)致濾波器在通帶內(nèi)吸收率高，透射率低于仿真值而反射率正常，但是，通過這種制備方法制作出來的濾波器因為吸收率高，從另一種角度，也可以用作近紅外波段的一種新型完美吸收器，而且仿真的結(jié)果對未來有可能出現(xiàn)的能實(shí)現(xiàn)該帶通模式的制備方法也具有指導(dǎo)意義。這種新設(shè)計的近紅外光學(xué)濾波器僅包含數(shù)十納米厚的超薄金屬膜，電介質(zhì)層

6、和基底等部分，具有在近紅外波段寬阻帶、通帶，結(jié)構(gòu)簡單和高可調(diào)節(jié)性等優(yōu)勢。
　　最后，探索了大面積制備等離子納米結(jié)構(gòu)的方法。我們通過對現(xiàn)有用呼吸圖法制備具有蜂巢狀排列孔洞的聚合物薄膜的設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)，使得通過設(shè)備的氣流更加穩(wěn)定、濕度更高，進(jìn)而顯著提高了大尺寸孔洞薄膜的制備成功率，孔洞具有更高的規(guī)則性，蜂巢狀結(jié)構(gòu)面積也更大。我們還利用制備的薄膜進(jìn)行了Lift-off工藝試驗，獲得了一些經(jīng)驗，這些對于以后用呼吸圖法制備小尺寸孔洞薄膜和以