專利名稱：一種基于多層金屬膜結(jié)構(gòu)的濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種基于多層金屬膜結(jié)構(gòu)的濾波器，通過(guò)調(diào)節(jié)金屬膜光柵層和介質(zhì)層的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以形成不同顔色的濾波結(jié)構(gòu)，可廣泛應(yīng)用于三維/動(dòng)態(tài)顯示、防偽等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
從上世紀(jì)90年代開(kāi)始，三維顯示、防偽等技術(shù)便得到了迅速發(fā)展，主要是以激光全息圖為主，但這種技術(shù)已經(jīng)半公開(kāi)，防偽功能受到挑戰(zhàn)。此外還有諸如水印防偽等技術(shù)也已經(jīng)發(fā)展了很長(zhǎng)時(shí)間，基本原理及實(shí)現(xiàn)方法也已經(jīng)基本被大眾所了解。迫切需要發(fā)展新的防偽技術(shù)。為此人們提出了基于光學(xué)原理的放大顯示防偽方法，這種方法的原理是在正常照明條件下，人眼的極限分辨カ為I分，在明視距離250mm條件下，人眼的極限分辨カ為O. 072mm。一般來(lái)說(shuō)為使眼睛不疲勞，人眼的視角在4分左右，即可以分辨距離為O. 3mm左右的兩個(gè)點(diǎn)。在一般情況下，10X 10個(gè)點(diǎn)刻組成簡(jiǎn)單圖案，其大小約在4_X4_左右，其它細(xì)小的物體必須采用放大鏡或顯微鏡進(jìn)行放大才能看清其細(xì)微結(jié)構(gòu)。對(duì)于小于該尺度的圖案必須采用顯微鏡等輔助工具，這個(gè)觀察帶來(lái)很大不便。隨后，人們又開(kāi)發(fā)出了基于微透鏡陣列的三維、動(dòng)態(tài)顯示和防偽技術(shù)，然而上述技術(shù)受到現(xiàn)有像素尺度(150微米)的限制，很難獲得流暢的動(dòng)態(tài)顯示效果和纖薄的厚度。同理，在三維電視中，也存在上述問(wèn)題，采用現(xiàn)有像素，三維圖像的顯示隨觀測(cè)角度成階段性變化，只有采用更加微小的像素尺寸方可獲得流暢的三維動(dòng)態(tài)效果。1998年，Ebbesen發(fā)現(xiàn)了高深寬比金屬孔可以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)有效選擇(nature,391,667-669，1998)，其結(jié)構(gòu)為在厚度為500nm左右的金屬膜上打尺度為幾十納米的孔，形成類似篩子狀的金屬孔陣列濾波器；其機(jī)理主要是與金屬孔陣列周期匹配的某個(gè)頻率入射光波在金屬孔結(jié)構(gòu)表面被轉(zhuǎn)化為了表面等離子體波(簡(jiǎn)稱SPP)，SPP具有很短的波長(zhǎng)，因此通過(guò)耦合可以傳遞到金屬孔陣列的另一面，而其它波長(zhǎng)則無(wú)法在金屬孔陣列表面激發(fā)SPP波，因此也無(wú)法通過(guò)金屬孔陣列。通過(guò)選擇合適的金屬孔陣列周期，透射光可以實(shí)現(xiàn)在不同波長(zhǎng)間的轉(zhuǎn)換。后來(lái)，中國(guó)科技大學(xué)明海教授等人在中國(guó)申請(qǐng)了該方面的發(fā)明專利；然而上述結(jié)構(gòu)在應(yīng)用中存在嚴(yán)重困難，I、該結(jié)構(gòu)為高深款比金屬孔，即孔的深度比2倍的孔寬度還大！這對(duì)于現(xiàn)有加工技術(shù)是根本無(wú)法完成的；2、該結(jié)構(gòu)采用孔陣列周期進(jìn)行顏色控制，因此不同的圖案必須制作周期不同的納米孔模板。巨大的成本嚴(yán)重限制了它的應(yīng)用；3、該金屬孔陣列結(jié)構(gòu)透過(guò)率僅為5%，即該結(jié)構(gòu)雖然實(shí)現(xiàn)了透射光波的選擇，但能量極其微弱，根本無(wú)法實(shí)用。為了克服上述三點(diǎn)問(wèn)題，我們提出了基于多層膜結(jié)構(gòu)的新型濾波器，本發(fā)明濾波器中，采用介質(zhì)膜與金屬膜光柵層多層結(jié)構(gòu)代替原有的高深寬比結(jié)構(gòu)，利用兩層尺度為幾十納米的金屬膜光柵層代替Ebbesen結(jié)構(gòu)中金屬孔陣列的上表面和下表面，中間采用介質(zhì)層與金屬膜光柵層相互疊合德三明治結(jié)構(gòu)，不僅同樣可以對(duì)特定波長(zhǎng)入射光波的SPP激發(fā)。同時(shí)，在透射/反射光效率方面達(dá)到大幅提升，最高可以達(dá)到80%，更重要的是，本發(fā)明專利中無(wú)論介質(zhì)層還是金屬膜光柵層都是多層薄膜結(jié)構(gòu)形式的，因此，采用現(xiàn)有通用的鍍膜エ藝即可加以實(shí)現(xiàn)，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
基于上述考慮，本發(fā)明提出ー種基于多層金屬膜結(jié)構(gòu)的濾波器。該結(jié)構(gòu)可形成微米量級(jí)的濾波器，通過(guò)在不同區(qū)域加工具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的濾波器，即可獲得由微米尺度像素構(gòu)成的圖案。本發(fā)明的技術(shù)解決方案通過(guò)以下步驟完成一種基于微光學(xué)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)顯示技術(shù)，其特征在于包括以下步驟I、它主要由n+1層介質(zhì)層、η層金屬膜光柵層、反射金屬層依次組成；η+1層介質(zhì)層與η層金屬膜光柵層按照介質(zhì)層、金屬膜光柵層相互交錯(cuò)的方式構(gòu)成濾波器,并在第n+1層介質(zhì)層下方加載反射金屬層；即第n = i層介質(zhì)層上方為第η = i-Ι層金屬膜光柵層，下方為第n = i層金屬膜光柵層；第n = i層金屬膜光柵層上方為第n = i層介質(zhì)層，下方為第η = i+Ι層介質(zhì)層；第η層介質(zhì)層下方為反射金屬層，n ^ 1，反射金屬層可以是ー層金屬膜，也可以是ニ維金屬光柵結(jié)構(gòu)；2、如權(quán)利要求I所述濾波器，其特征在干，η層金屬膜光柵層可以具有相同的周期，也可以具有不同的周期，也可以是非周期的金屬膜層結(jié)構(gòu)；對(duì)于周期光柵形式的η層金屬膜光柵層，姆層金屬膜光柵層的光柵周期在50nm IOOOnm之間，優(yōu)選值在IOOnm 500nm之間；3、如權(quán)利要求I所述濾波器，其特征在于，相鄰金屬膜光柵層可以是無(wú)重疊結(jié)構(gòu)，即相鄰金屬膜光柵層通過(guò)沿金屬膜光柵層法線方向進(jìn)行平移，當(dāng)兩層金屬膜光柵層位于同一平面時(shí)，金屬部分沒(méi)有任何重合；也可以是完全重疊結(jié)構(gòu)，即相鄰金屬膜光柵層通過(guò)沿金屬膜光柵層法線方向進(jìn)行平移，當(dāng)兩層金屬膜光柵層位于同一平面時(shí)，金屬部分將完全重合；還可以是部分重疊結(jié)構(gòu)，即相鄰金屬膜光柵層通過(guò)沿金屬膜光柵層法線方向進(jìn)行平移，當(dāng)兩層金屬膜光柵層位于同一平面時(shí)，金屬部分存在部分重合；4、如權(quán)利要求I所述濾波器，其特征在于，金屬膜光柵層厚度在5nm IOOnm之間，優(yōu)選值為IOnm 50nm,更為優(yōu)選的值為20 30nm ;介質(zhì)層厚度在5nm 500nm之間，優(yōu)選值為5nm 200nm，更為優(yōu)選的值為10 IOOnm ;反射金屬層距離金屬膜光柵層2的距離K為O 10 μ m,優(yōu)選值在O 400nm之間；反射金屬層為厚度Onm 300nm的金屬層，優(yōu)選值在O 80nm之間；5、如權(quán)利要求I所述濾波器，其特征在于，通過(guò)調(diào)節(jié)η層金屬膜光柵層中每ー層的厚度和/或介質(zhì)層折射率和/或介質(zhì)層厚度，實(shí)現(xiàn)對(duì)人射光波的透過(guò)率、反射率及透射和反射光波顏色的選擇。6、如權(quán)利要求I所述濾波器，其特征在于，每ー層介質(zhì)層可以由同一種材料構(gòu)成，也可以由不同種類材料在介質(zhì)層所在平面方向交錯(cuò)排列組成等效介質(zhì)材料，構(gòu)成介質(zhì)層；每ー層金屬膜光柵層由金屬膜部分和介質(zhì)膜部分組成；介質(zhì)膜部分可以采用與上/下相鄰的介質(zhì)層相同的介質(zhì)材料；7、通過(guò)加工具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和濾波功能的結(jié)構(gòu)，可獲得由微米量級(jí)像素構(gòu)成的圖案，如果與微透鏡陣列等微光學(xué)元件配合還可形成動(dòng)態(tài)、三維顯示效果，可應(yīng)用于顯示、防偽等領(lǐng)域。本發(fā)明的原理是通過(guò)對(duì)金屬膜光柵層及介質(zhì)層設(shè)置不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，將特定頻率的入射光波轉(zhuǎn)換為表面等離子體，利用決定于相鄰金屬膜光柵層之間光程差的表面等離子體頻率選擇特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定頻率光波的強(qiáng)烈吸收或透過(guò)；而其他頻率的入射光波則被反射，進(jìn)而形成具有特定色彩的顯示單元；在此基礎(chǔ)上通過(guò)融合多層結(jié)構(gòu)可以對(duì)透射和反射光波的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。本發(fā)明最大的特點(diǎn)在于采用該技術(shù)可獲得與光柵完全不同的顔色效果，光柵是將不同波長(zhǎng)的入射光波從不同的方向反射，因此在不同的角度將看到不同的顔色。從本質(zhì)上講，光柵不存在某個(gè)波長(zhǎng)能量被吸收的過(guò)程，光柵衍射是將不同波長(zhǎng)的光波在不同的方向進(jìn)行了重新分布。而本發(fā)明提出的方法從原理上講就與光柵不同。I、在本發(fā)明中，我們利用多層金屬膜光柵層將特定頻率的光波轉(zhuǎn)換為表面等離子體波，并對(duì)其進(jìn)行吸收。該波長(zhǎng)光波從出射光波中已經(jīng)消失了。2、本發(fā)明濾波器結(jié)構(gòu)無(wú)論從哪個(gè)方向看都只有ー個(gè)顏色，而不像光柵結(jié)構(gòu)，不同的角度看起來(lái)具有不同的顔色。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)I、該濾波器主要利用周期在百納米尺度的金屬膜光柵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)濾波，因此可獲得接近微米尺度的顯示單元；傳統(tǒng)的印刷技術(shù)只能獲得幾百微米尺度的色彩単元；2、傳統(tǒng)打印技術(shù)所形成的顏色必須通過(guò)“紅、綠、藍(lán)”三基色混合而成，而本技術(shù)可以直接形成各種復(fù)雜的顔色，并不需要基本的“紅、綠、藍(lán)”三種色元合成。3、本技術(shù)采用普通的エ業(yè)化金屬膜蒸鍍及濺射等エ藝即可完成，因此實(shí)現(xiàn)非常容易，成本低，易于產(chǎn)業(yè)化。4、通過(guò)對(duì)顯示微元件結(jié)合、可獲得動(dòng)態(tài)、立體顯示效果。5、美觀、實(shí)用、攜帯方便，可制作成薄片結(jié)構(gòu)，具有良好市場(chǎng)前景。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例ー結(jié)構(gòu)示意圖；同種相同的花紋顏色代表相同材料；圖中11表不介質(zhì)層I，12為介質(zhì)層2,13為介質(zhì)層3,14為介質(zhì)層4,15為介質(zhì)層5 ；21表不金屬膜光柵層I，即第I層金屬膜光柵層，22表不金屬膜光柵層2, 23表不金屬膜光柵層3, 24表不金屬膜光柵層4 ；3為反射金屬層；4為承載整個(gè)濾波器的基底材料；圖中虛線代表各金屬膜光柵層與介質(zhì)層之間的分界面；以標(biāo)注為14的第4層介質(zhì)層為例，Hi為第i層介質(zhì)層的厚度，即金屬膜光柵層i下表面與金屬膜光柵層i+Ι上表面的間距！Si代表第i層金屬膜光柵層厚度，即金屬膜光柵層中金屬膜上、下表面的間距；H4為第4層介質(zhì)層厚度，S1為標(biāo)注為21的金屬膜光柵層I厚度；K為反射金屬層與金屬膜光柵層4的距離；Τ為金屬膜光柵層2和金屬膜光柵層4的周期，同樣也是金屬膜光柵層2的周期；Α為金屬膜光柵層4和金屬膜光柵層2的非金屬區(qū)域的寬度。實(shí)施例一中，第i層金屬光柵層非金屬區(qū)域填充的介質(zhì)材料均與第i層介質(zhì)層的材料相同。本專利在實(shí)際應(yīng)用中并不受此限制。在實(shí)施例一中，通過(guò)向下平移金屬膜光柵層I可以與金屬膜光柵層2形成完整且無(wú)金屬重疊的金屬膜層，屬于權(quán)利要求3中提到的無(wú)重疊結(jié)構(gòu)中的特例。本專利在實(shí)際應(yīng)用中并不受此限制，通過(guò)將金屬光柵層I進(jìn)行平移后與金屬膜光柵層2構(gòu)成的無(wú)重疊的金屬膜層，可以是完整的，也可以是不完整的(即上述“無(wú)重疊的金屬膜層并不是完全由金屬膜構(gòu)成，存在部分無(wú)金屬的區(qū)域)。在實(shí)施例一中，通過(guò)向下平移金屬膜光柵層I可以與金屬膜光柵層3完全重疊，屬于權(quán)利要求3中提到的完全重疊結(jié)構(gòu)。圖2是本發(fā)明實(shí)施例I中金屬膜光柵層I的俯視圖；即圖I中標(biāo)注為21的金屬膜光柵層。T為金屬膜光柵層I的周期；A為金屬膜光柵層I的寬度。圖3是本發(fā)明實(shí)施例I中金屬膜光柵層2的俯視圖；即圖I中標(biāo)注為22的金屬膜光柵層。圖4為本發(fā)明實(shí)施例一中濾波器對(duì)入射光譜進(jìn)行選擇性濾波后得到的光譜分布效果。縱坐標(biāo)表示輸出的強(qiáng)度，橫坐標(biāo)表示波長(zhǎng)，每個(gè)刻度為lOOnm。從圖中可以看出，波長(zhǎng)450nm±50nm范圍內(nèi)的TM偏振光波被有效吸收。圖5為本發(fā)明實(shí)施例ニ中濾波器對(duì)入射光譜進(jìn)行選擇性濾波后得到的光譜分布效果。縱坐標(biāo)表示輸出的強(qiáng)度，橫坐標(biāo)表示波長(zhǎng)，每個(gè)刻度為lOOnm。從圖中可以看出，波長(zhǎng)600nm±50nm范圍內(nèi)的TM偏振光波被有效吸收。
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圖6是本發(fā)明實(shí)施例三中用于激發(fā)和耦合特定波長(zhǎng)的ニ維的金屬膜光柵層I俯視圖。圖7是本發(fā)明實(shí)施例三中用于激發(fā)和耦合特定波長(zhǎng)的ニ維的金屬膜光柵層2俯視圖，圖8是本發(fā)明實(shí)施例四中用于激發(fā)和耦合特定波長(zhǎng)的ニ維的金屬膜光柵層I俯視圖。圖9是本發(fā)明實(shí)施例四中用于激發(fā)和耦合特定波長(zhǎng)的ニ維的金屬膜光柵層2俯視圖。圖10是本發(fā)明實(shí)施例五中的四層金屬膜光柵層濾波結(jié)構(gòu)，圖中標(biāo)注為12、13、14的介質(zhì)層2、介質(zhì)層3、介質(zhì)層4均為采用兩種介質(zhì)材料構(gòu)成的等效介質(zhì)層。圖中圖案相同的區(qū)域采用的材料相同。圖11是本發(fā)明實(shí)施例六中的四層金屬膜光柵層濾波結(jié)構(gòu)，圖中，通過(guò)在垂直膜層方向平移標(biāo)注為22的金屬膜光柵層2,可以實(shí)現(xiàn)金屬膜光柵層2與標(biāo)注為21的金屬膜光柵層I的部分重疊，屬于權(quán)利要求3中提到的部分重疊結(jié)構(gòu)。圖12是本發(fā)明實(shí)施例七中的三層金屬膜光柵層濾波結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1，利用ー維金屬膜光柵層結(jié)構(gòu)對(duì)波長(zhǎng)為450nm±50nm的可見(jiàn)光反射波進(jìn)行吸收濾波，其它波長(zhǎng)的電磁能量得到有效反射，反射光形成呈現(xiàn)出紅色的效果；圖I是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；圖中11表示介質(zhì)層1，12為介質(zhì)層2，13為介質(zhì)層3，14為介質(zhì)層4,15為介質(zhì)層5 ；21表不金屬膜光柵層I,即第I層金屬膜光柵層，22表不金屬膜光柵層2, 23表不金屬膜光柵層3, 24表不金屬膜光柵層4 ；3為反射金屬層；4為承載整個(gè)濾波器的基底材料；圖中虛線代表各金屬膜光柵層與介質(zhì)層之間的分界面；以標(biāo)注為14的第4層介質(zhì)層為例，Hi為第i層介質(zhì)層的厚度，即金屬膜光柵層i下表面與金屬膜光柵層i+Ι上表面的間距Ai代表第i層金屬膜光柵層厚度，即金屬膜光柵層中金屬膜上、下表面的間距；H4為第4層介質(zhì)層厚度，S1為標(biāo)注為21的金屬膜光柵層I厚度；K為反射金屬層與金屬膜光柵層4的距離；Τ為金屬膜光柵層2和金屬膜光柵層4的周期，同樣也是金屬膜光柵層2的周期；A為金屬膜光柵層4和金屬膜光柵層2的非金屬區(qū)域的寬度。本實(shí)施例中采用以下設(shè)計(jì)步驟。I、設(shè)計(jì)介質(zhì)層I與金屬膜光柵層I、介質(zhì)層2、金屬膜光柵層2的材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)，并利用該層對(duì)450nm的入射可見(jiàn)光電磁波進(jìn)行初步吸收濾波。2、在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)介質(zhì)層3與金屬膜光柵層3、介質(zhì)層4、金屬膜光柵層4的材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)濾除波長(zhǎng)的帶寬進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)450nm±50nm范圍內(nèi)波長(zhǎng)的有效濾除；由于自然界金屬與介質(zhì)材料種類有限，所以為了減少變量，方便設(shè)計(jì)，因此我們首先要對(duì)材料進(jìn)行選定，介質(zhì)層I和介質(zhì)層3為折射率為I. 45的SiO2透明材料，而介質(zhì)層2為折射率為I. 6的有機(jī)膜透明材料，介質(zhì)層4為折射率為2. 3的硒化鋅透明材料，介質(zhì)層5及基底采用折射率為I. 65的有機(jī)PC透明材料；金屬膜光柵層I和金屬膜光柵層3選用金屬銀，金屬膜光柵層2選用金屬招,金屬膜光柵層4選用金屬金；
在材料確定后，我們將根據(jù)不同金屬材料的洛倫茨模型(商用FDTD軟件中均可以找到)，求解各種金屬材料的電磁參量，并將其輸入FDTD軟件。第三步，確定/但不受限于以下介質(zhì)層與金屬膜光柵層的基本參數(shù)，本實(shí)施例中，取介質(zhì)層I與介質(zhì)層2的初始厚度為60nm,金屬膜光柵層I與金屬膜光柵層2的厚度為30nm,金屬膜光柵層占空比O. 5,金屬膜光柵層周期260nm。上述基本參數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)為在上述參數(shù)附近范圍內(nèi)，可見(jiàn)光波段光波激發(fā)的SPP波能夠得到有效激發(fā)與耦合；第四步，對(duì)介質(zhì)層I、介質(zhì)層2、金屬膜光柵層I、金屬膜光柵層2的膜層厚度進(jìn)行量
化；如介質(zhì)層厚度量化為 35nm, 40nm, 45nm, 50nm, 55nm, 60nm, 65nm, 70nm, 75nm......等多個(gè)等
級(jí)。金屬層也量化為 15nm、20nm、25nm、30nm、35nm, 40nm, 45nm, 50nm, 55nm, 60nm, 65nm, 70nm,75nm……等多個(gè)等級(jí)。第五步，由于本專利發(fā)展的結(jié)構(gòu)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于入射光波長(zhǎng)，現(xiàn)有的光學(xué)標(biāo)量、矢量理論已經(jīng)都不適用了，因此，獲得能夠用于本專利結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確的物理解析表達(dá)式是不可能的，也是不必要的。本專利中，借助時(shí)域有限差分FDTD軟件完成相關(guān)設(shè)計(jì)。將第四步中不同組合的介質(zhì)層結(jié)構(gòu)參數(shù)與金屬膜光柵層結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入商業(yè)化FDTD軟件，利用該軟件進(jìn)行篩選。由于本專利提出的金屬膜光柵層的尺度和間距在百納米量級(jí)，因此，只需對(duì)包括介質(zhì)層厚度和金屬膜光柵層厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)，任何屬于可見(jiàn)光范圍內(nèi)的電磁波均可以被有效的轉(zhuǎn)換為表面等離子體波。因此無(wú)論可見(jiàn)光范圍內(nèi)的哪個(gè)顏色的光波，都必然存在與其對(duì)應(yīng)的金屬膜光柵層結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)下，該顏色的入射光將高效激發(fā)表面等離子體，并在金屬膜光柵層間被不斷震蕩、吸收(注對(duì)于金屬膜光柵層數(shù)η = 2的濾波器，設(shè)計(jì)已經(jīng)完成)。在經(jīng)過(guò)計(jì)算后，我們獲得如下介質(zhì)層I、介質(zhì)層2、金屬膜光柵層I、金屬膜光柵層2結(jié)構(gòu)參數(shù)金屬膜光柵層I和金屬膜光柵層2的厚度均為20nm,金屬膜光柵層I至金屬膜光柵層2間距40nm，金屬膜光柵層I俯視圖見(jiàn)圖2，金屬膜光柵層2俯視圖見(jiàn)圖3。在此基礎(chǔ)上，采用同樣的FDTD計(jì)算方式對(duì)介質(zhì)層3與金屬膜光柵層3、介質(zhì)層4、金屬膜光柵層4的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行確定，對(duì)濾除波長(zhǎng)的帶寬進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)450nm±50nm范圍內(nèi)波長(zhǎng)的有效濾除。本實(shí)施例中采用與金屬膜光柵層I與金屬膜光柵層2相同的等分間隔對(duì)每個(gè)參量進(jìn)行等分，并對(duì)反射金屬層與金屬膜光柵層4間距K量化為100nm、200nm、300nm、400nm、500nm,反射金屬層厚度量化為 10nm、20nm、30nm、40nm、50 納米、60nm ；在經(jīng)過(guò)計(jì)算后，我們獲得如下介質(zhì)層3、介質(zhì)層4、金屬膜光柵層3、金屬膜光柵層4結(jié)構(gòu)參數(shù)金屬膜光柵層3和金屬膜光柵層4的周期為240nm,金屬膜光柵層I和金屬膜光柵層2的厚度均為30nm,介質(zhì)層3與介質(zhì)層4為40nm,反射金屬層與金屬膜光柵層4間距K = 400nm作為結(jié)構(gòu)參數(shù)，反射金屬層厚度40nm。將各介質(zhì)層及各金屬膜光柵層按照?qǐng)DI所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，再次利用FDTD軟件對(duì)圖I所示的結(jié)構(gòu)的濾波效果進(jìn)行確認(rèn)。最后，采用納米壓印技術(shù)及金屬膜蒸鍍、濺射等沉積技術(shù)完成上述結(jié)構(gòu)的加工，實(shí)驗(yàn)中即獲得我們所希望的450nm±50nm的TM偏振可見(jiàn)光被有效吸收濾除，濾波效果見(jiàn)圖4，其它波長(zhǎng)的電磁能量得到有效反射，反射光形成呈現(xiàn)出紅色的效果；最終透過(guò)濾波器的透射光則形成綠色偏藍(lán)的效果，對(duì)，圖中波長(zhǎng)為600nm±50nm范圍內(nèi)的光能量得到了有效衰減。實(shí)施例2,通過(guò)調(diào)節(jié)實(shí)施例一中各介質(zhì)層厚度,實(shí)現(xiàn)對(duì)波長(zhǎng)為600nm±50nm的可見(jiàn)光反射波進(jìn)行吸收濾波，其它波長(zhǎng)的電磁能量得到有效反射，反射光形成呈現(xiàn)出藍(lán)綠色的效果;
本實(shí)施例同樣采用圖I所示的結(jié)構(gòu)，根據(jù)FDTD計(jì)算結(jié)果，選擇實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為初始參數(shù)，僅將介質(zhì)層的厚度參數(shù)量化為20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、lOOnm、120nm……。對(duì)于本專利所涉及的濾波結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變介質(zhì)層厚度可以對(duì)吸收濾除的入射光波的波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并利用FDTD進(jìn)行仿真計(jì)算。本實(shí)施例中，當(dāng)介質(zhì)層厚度達(dá)到120nm時(shí),實(shí)現(xiàn)了對(duì)600nm±50nm的可見(jiàn)光反射波進(jìn)行吸收濾波,反射光呈現(xiàn)出藍(lán)綠色的效果，對(duì)TM波濾波效果見(jiàn)圖5，圖中波長(zhǎng)為600nm±50nm范圍內(nèi)的光能量得到了有效衰減。實(shí)施例3，利用ニ維金屬膜光柵層結(jié)構(gòu)對(duì)波長(zhǎng)為600nm±50nm的可見(jiàn)光反射波進(jìn)行吸收濾波，其它波長(zhǎng)的電磁能量得到有效反射，反射光形成呈現(xiàn)出藍(lán)綠色的效果；本實(shí)施例濾波器剖面圖如圖I所示，設(shè)計(jì)過(guò)程與實(shí)施例一完全相同，通過(guò)對(duì)介質(zhì)膜層、金屬膜光柵層厚度等進(jìn)行量化，以濾波效果為準(zhǔn)則，利用FDTD軟件進(jìn)行逐項(xiàng)篩選，最終設(shè)計(jì)完成的濾波結(jié)構(gòu)參數(shù)也基本相同。其金屬膜光柵層I俯視圖見(jiàn)圖6，金屬膜光柵層2俯視圖見(jiàn)圖7。對(duì)TM、TE偏振光波均可實(shí)現(xiàn)如圖5所示的濾波效果。實(shí)施例4，利用基本単元為圓孔結(jié)構(gòu)的ニ維金屬膜光柵層結(jié)構(gòu)對(duì)波長(zhǎng)為600nm±50nm的可見(jiàn)光反射波進(jìn)行吸收濾波，其它波長(zhǎng)的電磁能量得到有效反射，反射光形成呈現(xiàn)出藍(lán)綠色的效果；本實(shí)施例濾波器剖面圖如圖I所示，設(shè)計(jì)過(guò)程與實(shí)施例一相同，通過(guò)對(duì)介質(zhì)膜層、金屬膜光柵層厚度等進(jìn)行量化，以濾波效果為準(zhǔn)則，利用FDTD軟件進(jìn)行逐項(xiàng)篩選，最終設(shè)計(jì)完成可實(shí)現(xiàn)600nm光波濾除的濾波結(jié)構(gòu)。其金屬膜光柵層I俯視圖見(jiàn)圖8，金屬膜光柵層2俯視圖見(jiàn)圖9。對(duì)TM、TE偏振光波均可實(shí)現(xiàn)如圖5所示的濾波效果。本實(shí)施例中金屬膜光柵層的基本單元圖案為圓形，但在實(shí)際應(yīng)用中并不限于此，僅通過(guò)變化基本單元構(gòu)成的各種濾波器均屬于本專利的保護(hù)范圍。實(shí)施例5，利用兩種材料構(gòu)成介質(zhì)層，與金屬膜光柵層結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，對(duì)波長(zhǎng)為600nm±50nm的可見(jiàn)光反射波進(jìn)行吸收濾波；本實(shí)施例濾波器剖面圖如圖10所示，圖中每ー種花色圖案代表ー種材料，以標(biāo)注為12的介質(zhì)層2為例，介質(zhì)層2采用兩種材料依次組合構(gòu)成的薄層等效介質(zhì)，采用此類等效介質(zhì)同樣可以形成相關(guān)濾波器。設(shè)計(jì)過(guò)程與實(shí)施例一相同，通過(guò)對(duì)介質(zhì)膜層、金屬膜光柵層厚度等參量進(jìn)行量化，利用FDTD軟件進(jìn)行逐項(xiàng)篩選，最終可設(shè)計(jì)完成600nm光波濾除的濾波結(jié)構(gòu)。實(shí)施例6，利用部分重疊和完全重疊的金屬膜光柵結(jié)構(gòu)對(duì)波長(zhǎng)為600nm±50nm的可見(jiàn)光反射波進(jìn)行吸收濾波；本實(shí)施例濾波器剖面圖如圖11所示，圖中標(biāo)注為21的金屬膜光柵層I與標(biāo)注為22的金屬膜光柵層2為部分重疊結(jié)構(gòu)，即通過(guò)將金屬膜光柵層I沿金屬膜光柵層法線方向向下移動(dòng)，當(dāng)金屬膜光柵層I與金屬膜光柵層2位于同一膜層高度時(shí),金屬膜光柵層I的部分金屬膜將與金屬膜光柵層2的金屬膜部分重疊。圖中標(biāo)注為21的金屬膜光柵層I與標(biāo)注為23的金屬膜光柵層3為完全重疊結(jié)構(gòu)，即通過(guò)將金屬膜光柵層I沿金屬膜光柵層法線方向向下移動(dòng)，當(dāng)金屬膜光柵層I與金屬膜光柵層3位于同一膜層高度時(shí),金屬膜光柵層I的金屬膜將與金屬膜光柵層3的金屬膜完整重疊。由于本專利所發(fā)展的方法對(duì)于金屬膜光柵層之間的水平相對(duì)位置并不是特別敏感，因此，即使采用具有可完全重疊特征的多層金 屬膜光柵層或/和具有部分重疊特征的多層金屬膜光柵層，通過(guò)對(duì)與實(shí)施例一相同的介質(zhì)層與金屬膜光柵層結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行量化和計(jì)算，同樣可獲得較為理想的濾波效果，設(shè)計(jì)過(guò)程與實(shí)施例一相同。實(shí)施例7，利用無(wú)重疊金屬膜光柵結(jié)構(gòu)對(duì)波長(zhǎng)為600nm±50nm的可見(jiàn)光反射波進(jìn)行吸收濾波；本實(shí)施例濾波器剖面圖如圖12所示，圖中標(biāo)注為21的金屬膜光柵層I與標(biāo)注為22的金屬膜光柵層2、標(biāo)注為23的金屬膜光柵層3均屬于無(wú)重疊，即通過(guò)將金屬膜光柵層I沿金屬膜光柵層法線方向向下移動(dòng)，當(dāng)金屬膜光柵層I與金屬膜光柵層2位于同一膜層高度時(shí)，金屬膜光柵層I的金屬膜將與金屬膜光柵層2的金屬膜無(wú)任何重疊。同理，金屬膜光柵層2和金屬膜光柵層3也無(wú)重合。由于本專利所發(fā)展的方法主要基于金屬膜光柵層之間(特別是邊界之間)的表面等離子體波的不斷耦合實(shí)現(xiàn)能量衰減，因此采用圖12所示的濾波結(jié)構(gòu)，可以將某個(gè)特定波長(zhǎng)的光波轉(zhuǎn)換為表面等離子體波，同時(shí)表面等離子體波攜帯的能量從金屬膜光柵層I耦合到金屬膜光柵層2，再通過(guò)金屬膜光柵層中金屬膜的邊界耦合到金屬膜光柵層3。通過(guò)不斷的耦合和衰減實(shí)現(xiàn)對(duì)特定波長(zhǎng)的濾除，而其它波長(zhǎng)的電磁波則被無(wú)衰減或輕微衰減。采用實(shí)施例一所示的步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)，同樣可獲得所需要的特定顔色的透過(guò)譜和吸收譜。實(shí)施例8，通過(guò)調(diào)節(jié)實(shí)施例ニ中各金屬膜光柵層厚度，實(shí)現(xiàn)對(duì)波長(zhǎng)為550nm±50nm的可見(jiàn)光反射波進(jìn)行吸收濾波，其它波長(zhǎng)的電磁能量得到有效反射，反射光形成呈現(xiàn)出藍(lán)緑色的效果；本實(shí)施例同樣采用圖I所示的結(jié)構(gòu)，根據(jù)FDTD計(jì)算結(jié)果，選擇實(shí)施例ニ的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為初始參數(shù)，僅將金屬膜光柵層的厚度參數(shù)量化為5nm、10nm、15nm、20nm、30nm、40nm、
50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、lOOnm、120nm......。對(duì)于本專利所涉及的濾波結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變
金屬膜光柵層厚度可以對(duì)吸收濾除的入射光波的波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并利用FDTD進(jìn)行仿真計(jì)算。本實(shí)施例中，當(dāng)介質(zhì)層厚度達(dá)到80nm時(shí),實(shí)現(xiàn)了對(duì)550nm±50nm的可見(jiàn)光反射波進(jìn)行吸收濾波，從濾波器反射出的光波呈現(xiàn)出黃緑色的效果。本專利申請(qǐng)公開(kāi)的技術(shù)點(diǎn)及內(nèi)容以及以本專利相關(guān)技術(shù)點(diǎn)及內(nèi)容為核心進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整后產(chǎn)生的結(jié)果均屬于本專利的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.它主要由n+1層介質(zhì)層、n層金屬膜光柵層、反射金屬層依次組成；n+l層介質(zhì)層與n層金屬膜光柵層按照介質(zhì)層、金屬膜光柵層相互交錯(cuò)的方式構(gòu)成濾波器，并在第n+1層介質(zhì)層下方加載反射金屬層；即第n = i層介質(zhì)層上方為第n = i-1層金屬膜光柵層，下方為第n = i層金屬膜光柵層；第n = i層金屬膜光柵層上方為第n = i層介質(zhì)層，下方為第n=i+1層介質(zhì)層；第11層介質(zhì)層下方為反射金屬層，n彡1，反射金屬層可以是一層金屬膜，也可以是金屬光柵結(jié)構(gòu)；
2.如權(quán)利要求I所述濾波器，其特征在于，n層金屬膜光柵層可以具有相同的周期，也可以具有不同的周期，也可以是非周期的金屬膜層結(jié)構(gòu)；對(duì)于周期光柵形式的n層金屬膜光柵層，每層金屬膜光柵層的光柵周期在50nm IOOOnm之間,優(yōu)選值在IOOnm SOOnmi間，針對(duì)不同顏色的濾波器可以但不限于采用相同周期的金屬膜光柵層；
3.如權(quán)利要求I所述濾波器，其特征在于，相鄰金屬膜光柵層可以是無(wú)重疊結(jié)構(gòu)，即相鄰金屬膜光柵層通過(guò)沿金屬膜光柵層法線方向進(jìn)行平移，當(dāng)兩層金屬膜光柵層位于同一平 面時(shí)，金屬部分沒(méi)有任何重合；也可以是完全重疊結(jié)構(gòu)，即相鄰金屬膜光柵層通過(guò)沿金屬膜 光柵層法線方向進(jìn)行平移，當(dāng)兩層金屬膜光柵層位于同一平面時(shí)，金屬部分將完全重合；還 可以是部分重疊結(jié)構(gòu)，即相鄰金屬膜光柵層通過(guò)沿金屬膜光柵層法線方向進(jìn)行平移，當(dāng)兩層金屬膜光柵層位于同一平面時(shí)，金屬部分存在部分重合；
4.如權(quán)利要求I所述濾波器，其特征在于，金屬膜光柵層厚度在5nm IOOnm之間，優(yōu)選值為IOnm 50nm,更為優(yōu)選的值為20 30nm ;介質(zhì)層厚度在5nm 500nm之間，優(yōu)選值為5nm 200nm，更為優(yōu)選的值為10 IOOnm ;反射金屬層距離金屬膜光柵層2的距離K為0 10 ii m,優(yōu)選值在0 400nm之間；
5.如權(quán)利要求I所述濾波器，其特征在于，通過(guò)調(diào)節(jié)n層金屬膜光柵層中每一層的厚度和/或介質(zhì)層折射率和/或介質(zhì)層厚度，實(shí)現(xiàn)對(duì)人射光波的透過(guò)率、反射率及透射和反射光波顏色的選擇。
6.如權(quán)利要求I所述濾波器，其特征在于，每一層介質(zhì)層可以由同一種材料構(gòu)成，也可以由不同種類材料在介質(zhì)層所在平面方向交錯(cuò)排列組成等效介質(zhì)材料，構(gòu)成介質(zhì)層；每一層金屬膜光柵層由金屬膜部分和介質(zhì)膜部分組成；介質(zhì)膜部分可以采用與上/下相鄰的介質(zhì)層相同的介質(zhì)材料；
7.通過(guò)加工具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和濾波功能的結(jié)構(gòu)，可獲得由微米量級(jí)像素構(gòu)成的圖案，如果與微透鏡陣列等微光學(xué)元件配合還可形成動(dòng)態(tài)、三維顯示效果，可應(yīng)用于顯示、防偽等領(lǐng)域。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于多層金屬膜結(jié)構(gòu)的濾波器，它主要由多層介質(zhì)層與多層金屬膜結(jié)構(gòu)層相互交叉、重疊組成；通過(guò)調(diào)整金屬膜結(jié)構(gòu)層、介質(zhì)層占空比、厚度、間距等結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以對(duì)不同波長(zhǎng)的可見(jiàn)光波進(jìn)行透射與反射。形成獨(dú)特的顏色效果。
文檔編號(hào)B32B15/04GK102681097SQ201110055110
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2011年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月9日
發(fā)明者趙建平 申請(qǐng)人:趙建平