基于表面等離子激元效應的二維陣列顏色濾波器研究.pdf

1、顏色濾波器是現(xiàn)代光學器件中的重要組成部分。隨著社會的發(fā)展與科技的進步，以印染成色為主的傳統(tǒng)顏色濾波器弊端逐步顯現(xiàn)，越來越無法滿足人們曰益增長的需求，尤其是在彩色圖像超高分辨還原領域，傳統(tǒng)濾波器成色單元尺寸受限于衍射極限無法進一步縮小，阻礙了納米像素單元和精細集成電路的發(fā)展。基于表面等離子激元原理的新型顏色濾波器，結(jié)構(gòu)簡單，僅依靠改變自身納米結(jié)構(gòu)單元就能方便地實現(xiàn)濾波成色，從根本上突破了光學衍射的限制，對顏色濾波器的發(fā)展的具有重要意義。以

2、表面等離子激元為基礎發(fā)展起來的新型顏色濾波器種類繁多，各具特色，但也存在著一些局限性，需要進一步的研究和改善。如基于光學超高透射EOT現(xiàn)象的顏色濾波器透射效率較低，而新興的基于光學超低透射ELT現(xiàn)象的一維光柵顏色濾波器，雖然解決了透射率低的問題，但濾波效果與入射光的偏振態(tài)相關，這些缺陷嚴重影響了它們的實際應用。為此，本文提出了一種全新的基于光學超低透射現(xiàn)象的超薄銀膜二維顏色濾波器，并展開了理論和實驗研究。
　　首先介紹了金屬表面等

3、離子激元的原理和特性，包括其色散關系，穿透深度和傳播長度等。闡述了金屬表面等離子激元的入射光耦合激發(fā)方式，并對光柵耦合需求的微結(jié)構(gòu)加工方法進行了探討和分析，著重論述了各種膜層制備技術以及微納結(jié)構(gòu)制備技術的優(yōu)缺點。
　　隨后經(jīng)過一系列建模計算，提出了一種超薄銀膜二維圓孔陣列顏色濾波器模型，該模型不僅透射率高，而且濾波效果與入射光偏振無關。利用時域有限差分軟件FDTD Solutions，分別從不同的材料厚度，圓孔陣列周期和占空比等方

4、面，對其展開了仿真，通過對仿真結(jié)果的詳細分析和可行性實驗驗證，掌握了濾波器顏色調(diào)控規(guī)律，并對等離子激元顏色調(diào)控機理做出了解釋。
　　為了進一步實現(xiàn)高透射率，高純度的顏色濾波器，本文以超薄銀膜上的二維圓孔陣列顏色濾波器為基礎，進一步展開優(yōu)化研究，提出一種通過圓孔陣列錯位量調(diào)控濾波器顏色純度的新方法。該方法通過合理地改變納米孔陣的排列方式，在保持原有高透射率的優(yōu)勢的基礎上，可以有效地提高濾波成色純度。結(jié)合系統(tǒng)的模型仿真結(jié)果和一系列的樣

5、品測試數(shù)據(jù)，給出了制備高透射、高純度二維錯位圓孔顏色濾波器由預期顏色到濾波器參數(shù)的經(jīng)驗公式。并利用推導得出的二維錯位圓孔表面等離子激元的波長匹配公式，解釋了其實現(xiàn)顏色調(diào)控的物理機制。
　　為使二維陣列顏色濾波器能夠順利地生產(chǎn)應用，有必要設計一種高效大面積制備表面等離子激元濾波器的方法。本文通過分析傳統(tǒng)制備方法的特點及尚存的局限性，提出了一種全新的基于XIL光路高效大面積制備二維陣列顏色濾波器的四光柵干涉拼接方法。該方法曝光精度高，

6、單次曝光面積大，時間短。并且可以通過在光路中設計和添加級次選擇光闌，有效避免零級光在曝光面上的干擾，再配合樣品臺相應的移動和擋光光闌適時開關，理論上可實現(xiàn)曝光區(qū)域的完美拼接。在此基礎上，本文相應地提出了一種在不改變周期情況下，僅通過改變占空比調(diào)控顏色的新方法，大大提升了XIL光路中掩膜光柵的利用效率，有效降低了實際大面積制備多種型號濾波器時的生產(chǎn)成本，使得XIL多光柵拼接技術更具有實用性。
　　最后對本文的研究成果及創(chuàng)新點進行總結(jié)

7、:提出了一種高透射率且偏振無關的超薄銀膜二維圓孔陣列顏色濾波器模型，并開展了系統(tǒng)的理論和實驗研究，建立完備的數(shù)理模型;開展了提升超薄銀膜二維圓孔陣列顏色濾波器模型顏色純度的研究，提出了一種利用圓孔陣列錯位量在不改變?yōu)V波器透射率前提下，調(diào)控顏色純度的新方法。研究總結(jié)出由預期顏色到濾波器參數(shù)的指導公式;開展了相應制備工藝和試驗方法的研究，提出了一種基于XIL光路高效大面積制備二維陣列顏色濾波器的四光柵干涉拼接方法。另外，指出了本課題中需要進