基于無(wú)序金屬圓柱陣列的大角度的光學(xué)調(diào)色裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)濾波器領(lǐng)域，尤其涉及一種基于無(wú)序金屬圓柱陣列的大角度的光學(xué)調(diào)色裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)為克服傳統(tǒng)有機(jī)染料或化學(xué)顏料的顏色濾波器的耐腐蝕、耐高溫、耐輻射差以及集成工藝復(fù)雜、成本高等缺點(diǎn)，基于表面等離子激元的顏色濾波器引起了廣泛的研宄。基于表面等離子激元的顏色濾波器由于其結(jié)構(gòu)及材料特性使得其能夠克服上述傳統(tǒng)顏色濾波器的缺點(diǎn)，然而要實(shí)現(xiàn)實(shí)際的替代應(yīng)用，仍然有諸如透射率、偏振相關(guān)性、角度相關(guān)性、集成面臨的尺寸等問(wèn)題需要解決。
[0003]在已經(jīng)公開(kāi)的專(zhuān)利及文獻(xiàn)中，在透射工作模式下，現(xiàn)有的研宄重點(diǎn)集中在利用周期性的金屬微結(jié)構(gòu)來(lái)解決透射率、偏振、尺寸等問(wèn)題上。其利用周期性結(jié)構(gòu)對(duì)光的衍射作用，將入射光以表面等離子激元的形式耦合到金屬表面，通過(guò)選擇性吸收增強(qiáng)作用實(shí)現(xiàn)了顏色的調(diào)控作用。但這些方法存在一個(gè)非常大的問(wèn)題是，對(duì)光波矢的調(diào)制具有內(nèi)在的對(duì)入射光角度的敏感性問(wèn)題，從而使得利用周期性金屬微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的顏色調(diào)控方法對(duì)光的入射角具有很強(qiáng)的敏感性。這種周期性結(jié)構(gòu)色引入的角度相關(guān)性問(wèn)題未得到較好地解決。因此新的解決方法對(duì)這種顏色濾波器是較為關(guān)鍵而且迫切需要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，并提供了基于無(wú)序金屬圓柱陣列的偏振無(wú)關(guān)、大角度的光學(xué)調(diào)色方法。
[0005]一種基于無(wú)序金屬圓柱陣列大角度的光學(xué)調(diào)色裝置包括白光光源、第一準(zhǔn)直透鏡、偏振片、玻璃基底、圓柱陣列、第二準(zhǔn)直透鏡、聚焦透鏡、單模光纖、光譜儀；在玻璃基底上設(shè)有圓柱陣列，在玻璃基底下方順次設(shè)有偏振片、第一準(zhǔn)直透鏡、白光光源，在玻璃基底上方順次設(shè)有第二準(zhǔn)直透鏡、聚焦透鏡、單模光纖、光譜儀。
[0006]所述的圓柱陣列采用的材料為銀，其厚度為20~40nm，直徑為66~166nm。
[0007]所述的圓柱陣列圓柱間最短間距為80nm以上。
[0008]基于無(wú)序金屬圓柱陣列大角度的光學(xué)調(diào)色方法是:入射白光光源經(jīng)過(guò)第一準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后，再由偏振片轉(zhuǎn)換成線(xiàn)偏振白光，繼而入射至玻璃基底和圓柱陣列，通過(guò)玻璃基底與圓柱陣列的界面形成的表面等離子共振效應(yīng)將光調(diào)制成跟圓柱尺寸相關(guān)的具有選波特性的出射光；出射光經(jīng)過(guò)第二準(zhǔn)直透鏡和聚焦透鏡進(jìn)行準(zhǔn)直、聚焦后由單模光纖收集進(jìn)入光譜儀，最后得到其光譜曲線(xiàn)；通過(guò)旋轉(zhuǎn)偏振片改變?nèi)肷涔獾钠穹较?，在不同入射光偏振方向下的調(diào)制特性不變，即調(diào)制光譜的透射率最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)不變，透射光顏色保持不變；通過(guò)傾斜玻璃基底和圓柱陣列改變?nèi)肷浣嵌龋谌肷浣菑腛度增加到60度時(shí)，調(diào)制光譜的透射率最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)僅改變30nm。
[0009]在玻璃基底上設(shè)計(jì)隨機(jī)排列的低占空比超薄金屬銀圓柱陣列，當(dāng)任意偏振的白光從玻璃基底入射時(shí)，光在玻璃-金屬界面形成表面等離子激元，利用單圓柱范圍內(nèi)形成的局域表面等離子共振效應(yīng)使得入射光在某一波長(zhǎng)處的吸收增強(qiáng)，從而透射光在對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)處的透射率受到抑制，最終在可見(jiàn)光范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了該波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)顏色的互補(bǔ)顏色。顏色的調(diào)控只需通過(guò)簡(jiǎn)單地改變圓柱的直徑便可實(shí)現(xiàn)。通過(guò)引入圓柱間的最小間距這一限制條件，保證了圓柱間相互獨(dú)立的局域表面等離子共振作用，從而實(shí)現(xiàn)該調(diào)色方法的偏振無(wú)關(guān)性和適應(yīng)大角度的特性。
[0010]本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小易于集成，耐高溫輻射，對(duì)入射光偏振無(wú)關(guān)和角度不敏感等優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)的集成數(shù)字式顯示、投影、成像設(shè)備和生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)設(shè)備中有良好的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是基于無(wú)序金屬圓柱陣列的大角度的光學(xué)調(diào)色裝置示意圖；
圖2是玻璃基底(4)、圓柱陣列(5)構(gòu)成的顏色濾波器的俯視圖；
圖3是對(duì)應(yīng)三個(gè)不同圓柱直徑的顏色濾波器的仿真透射率曲線(xiàn)；
圖4是實(shí)驗(yàn)測(cè)得的對(duì)應(yīng)三個(gè)不同圓柱直徑的顏色濾波器在不同入射光偏振方向下的透射率曲線(xiàn)；
圖5是實(shí)驗(yàn)測(cè)得的對(duì)應(yīng)圓柱直徑為106nm的顏色濾波器在不同入射角條件下的透射率曲線(xiàn)。
【具體實(shí)施方式】
[0012]本發(fā)明提出了基于無(wú)序金屬圓柱陣列的偏振無(wú)關(guān)、大角度的光學(xué)調(diào)色方法。這種調(diào)色方法利用了單個(gè)圓柱激發(fā)的局域表面等離子共振的效應(yīng)，白光照射到微納結(jié)構(gòu)陣列上，在光譜的某個(gè)波段會(huì)產(chǎn)生透射率極小值，而對(duì)該波長(zhǎng)以外的光具有超高透射率，相應(yīng)的該顏色濾波器會(huì)呈現(xiàn)出該極小值波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)顏色的補(bǔ)色。該調(diào)色方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小易于集成，耐高溫輻射，對(duì)入射光偏振無(wú)關(guān)和角度不敏感等優(yōu)點(diǎn)。
[0013]以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0014]如圖1所示，一種基于無(wú)序金屬圓柱陣列大角度的光學(xué)調(diào)色裝置包括白光光源1、第一準(zhǔn)直透鏡2、偏振片3、玻璃基底4、圓柱陣列5、第二準(zhǔn)直透鏡6、聚焦透鏡7、單模光纖8、光譜儀9 ;在玻璃基底4上設(shè)有圓柱陣列5，在玻璃基底4下方順次設(shè)有偏振片3、第一準(zhǔn)直透鏡2、白光光源1，在玻璃基底4上方順次設(shè)有第二準(zhǔn)直透鏡6、聚焦透鏡7、單模光纖8、光譜儀9。
[0015]所述的圓柱陣列5采用的材料為銀，其厚度為20~40nm，直徑為66~166nm。
[0016]所述的圓柱陣列5圓柱間最短間距為80nm以上。
[0017]基于無(wú)序金屬圓柱陣列大角度的光學(xué)調(diào)色方法是:入射白光光源I經(jīng)過(guò)第一準(zhǔn)直透鏡2準(zhǔn)直后，再由偏振片3轉(zhuǎn)換成線(xiàn)偏振白光，繼而入射至玻璃基底4和圓柱陣列5，通過(guò)玻璃基底與圓柱陣列的界面形成的表面等離子共振效應(yīng)將光調(diào)制成跟圓柱尺寸相關(guān)的具有選波特性的出射光；出射光經(jīng)過(guò)第二準(zhǔn)直透鏡6和聚焦透鏡7進(jìn)行準(zhǔn)直、聚焦后由單模光纖8收集進(jìn)入光譜儀9，最后得到其光譜曲線(xiàn)；通過(guò)旋轉(zhuǎn)偏振片3改變?nèi)肷涔獾钠穹较?，在不同入射光偏振方向下的調(diào)制特性不變，即調(diào)制光譜的透射率最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)不變，透射光顏色保持不變；通過(guò)傾斜玻璃基底4和圓柱陣列5改變?nèi)肷浣嵌龋谌肷浣菑腛度增加到60度時(shí)，調(diào)制光譜的透射率最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)僅改變30nm。
[0018]根據(jù)如圖2所示的結(jié)構(gòu)示意圖，采用lift-off工藝，在玻璃基底上根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)(圓柱的直徑)制備出無(wú)序的銀圓柱。先在玻璃基底上甩一層光刻膠PMMA，然后利用電子束曝光(EBL)的方法根據(jù)參數(shù)需要在光刻膠上曝光出無(wú)序的圓孔(直徑范圍66nm~166nm)，經(jīng)過(guò)顯影之后再利用電子束蒸鍍的方法在其上蒸鍍上一層40nm厚的銀膜，最后將剩余光刻膠及其上方沉積的金屬銀用超聲清洗掉便得到玻璃基底上無(wú)序的銀圓柱。
實(shí)施例
[0019]下面以直徑為76nm、96nm、106nm、166nm的無(wú)序銀圓柱結(jié)構(gòu)濾波器開(kāi)展制備及其偏振、角度相關(guān)性研宄。
[0020]該實(shí)施例制備出了一系列直徑不同的基于無(wú)序金屬圓柱陣列的顏色濾波器，圖3顯示了圓柱直徑分別為76nm、96nm、166nm的三個(gè)顏色濾波器的透射率曲線(xiàn)，從圖中可以看出最高透射率能達(dá)到70%~80%左右，通過(guò)改變圓柱直徑從76nm到166nm，實(shí)現(xiàn)了透射譜的最低點(diǎn)從495nm調(diào)諧到644nm，覆蓋了大部分可見(jiàn)光范圍；針對(duì)圓柱直徑為76nm、96nm、166nm的三個(gè)顏色濾波器，分別就兩種不同的入射光偏振狀態(tài)(偏振方向相互垂直)比較了其透射率曲線(xiàn)，由圖4可以看出對(duì)三個(gè)顏色濾波器而言，其透射譜在不同的入射光偏振狀態(tài)下均保持較好地一致性，顯示了該調(diào)色方法對(duì)偏振的無(wú)關(guān)性，圖中出現(xiàn)的細(xì)微差別是由于未完全消除圓柱間的電場(chǎng)耦合作用及圓柱分布空間上并非完美均勻所導(dǎo)致的；針對(duì)圓柱直徑為106nm的結(jié)構(gòu)，在自然偏振條件下，通過(guò)傾斜顏色濾波器改變?nèi)肷涔饨嵌葹?0度、30度、40度、50度、60度，分別測(cè)量并比較了其透射率曲線(xiàn)，從圖5可以看出入射角從10度增加到60度，其透射率曲線(xiàn)的最低點(diǎn)僅發(fā)生了微小的紅移，大致紅移了 30nm，顯示了較好地角度不敏感性，而其在透射率上的差異是因?yàn)楫?dāng)入射光角度不同時(shí)，入射光平行于金屬-玻璃界面的電場(chǎng)分量不一樣，最終導(dǎo)致激發(fā)的表面等離子共振的強(qiáng)度不同，從而使得透射率在強(qiáng)度上會(huì)有差異。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于無(wú)序金屬圓柱陣列大角度的光學(xué)調(diào)色裝置，其特征在于，包括白光光源(I)、第一準(zhǔn)直透鏡(2)、偏振片(3)、玻璃基底(4)、圓柱陣列(5)、第二準(zhǔn)直透鏡(6)、聚焦透鏡(7)、單模光纖(8)、光譜儀(9);在玻璃基底(4)上設(shè)有圓柱陣列(5)，在玻璃基底(4)下方順次設(shè)有偏振片(3)、第一準(zhǔn)直透鏡(2)、白光光源(I)，在玻璃基底(4)上方順次設(shè)有第二準(zhǔn)直透鏡(6 )、聚焦透鏡(7 )、單模光纖(8 )、光譜儀(9 )。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無(wú)序金屬圓柱陣列大角度的光學(xué)調(diào)色裝置，其特征在于， 所述的圓柱陣列(5)采用的材料為銀，其厚度為20~40nm，直徑為66~166nm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無(wú)序金屬圓柱陣列大角度的光學(xué)調(diào)色裝置，其特征在于， 所述的圓柱陣列(5)圓柱間最短間距為80nm以上。4.一種使用如權(quán)利要求1所述裝置的基于無(wú)序金屬圓柱陣列大角度的光學(xué)調(diào)色方法，其特征在于，入射白光光源(I)經(jīng)過(guò)第一準(zhǔn)直透鏡(2)準(zhǔn)直后，再由偏振片(3)轉(zhuǎn)換成線(xiàn)偏振白光，繼而入射至玻璃基底(4)和圓柱陣列(5)，通過(guò)玻璃基底與圓柱陣列的界面形成的表面等離子共振效應(yīng)將光調(diào)制成跟圓柱尺寸相關(guān)的具有選波特性的出射光；出射光經(jīng)過(guò)第二準(zhǔn)直透鏡(6)和聚焦透鏡(7)進(jìn)行準(zhǔn)直、聚焦后由單模光纖(8)收集進(jìn)入光譜儀(9)，最后得到其光譜曲線(xiàn)；通過(guò)旋轉(zhuǎn)偏振片(3)改變?nèi)肷涔獾钠穹较颍诓煌肷涔馄穹较蛳碌恼{(diào)制特性不變，即調(diào)制光譜的透射率最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)不變，透射光顏色保持不變；通過(guò)傾斜玻璃基底(4)和圓柱陣列(5)改變?nèi)肷浣嵌?，在入射角從O度增加到60度時(shí)，調(diào)制光譜的透射率最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)僅改變30nm。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了基于無(wú)序金屬圓柱陣列的大角度的光學(xué)調(diào)色裝置及其方法。裝置包括白光光源、第一準(zhǔn)直透鏡、偏振片、玻璃基底、圓柱陣列、第二準(zhǔn)直透鏡、聚焦透鏡、單模光纖、光譜儀；在玻璃基底上設(shè)有圓柱陣列，在玻璃基底下方順次設(shè)有偏振片、第一準(zhǔn)直透鏡、白光光源，在玻璃基底上方順次設(shè)有第二準(zhǔn)直透鏡、聚焦透鏡、單模光纖、光譜儀。利用單圓柱內(nèi)形成的局域表面等離子共振效應(yīng)使得入射光在某一波長(zhǎng)處的吸收增強(qiáng)，透射光在對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)處的透射率受到抑制，從而實(shí)現(xiàn)顏色調(diào)制。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小易于集成，耐高溫輻射，對(duì)入射光偏振無(wú)關(guān)和角度不敏感等優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)的集成數(shù)字式顯示、投影、成像設(shè)備和生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)設(shè)備中有良好的應(yīng)用前景。
【IPC分類(lèi)】G02B27/28, G02B5/20
【公開(kāi)號(hào)】CN104965253
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510399273
【發(fā)明人】張冬仙, 葉鳴, 蔣瀟婷, 孫理斌, 胡曉琳, 史斌, 吳青峻, 蔣建中
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年10月7日
【申請(qǐng)日】2015年7月9日