亚波长光栅偏振和滤光器件设计与制备

摘要

基于亚波长光栅的纳米结构偏振和滤光器件，光能利用率高，带宽可调，并可通过微纳米制造技术进行制备，在未来新型平板显示、绿色纳米印刷和安全防伪等领域具有广阔应用前景。
　　本文采用严格耦合波分析法（Rigorous Coupled Wave Analysis, RCWA），对亚波长光栅结构中的光波共振机理进行了详细分析，根据显示和印刷领域对偏振和滤光器件的性能要求，设计了偏振片和三种工作模式（透射式、反射式和吸收式）的滤光片，开展了双层金属光栅偏振片和宽角度反射式滤光片的实验制备和性能验证工作。论文的主要研究工作及创新性成果如下：
　　（1）立足解决已有亚波长光栅偏振片在整个可见光波段透射效率低的问题，设计了增加高折射率介质层和带有空气沟槽的双层金属光栅偏振片，对其透射特性进行了研究。在整个可见光波段，前者使TM光的透射效率从67%提高至73%，后者使TM光的透射效率从67%提高至85%。
　　（2）已有亚波长光栅彩色滤光片通过调整光栅高度对RGB三基色滤光，必须采用套刻工艺实现三基色，制备难度很大。本文设计了基底-高折射率光栅-金属光栅透射式滤光片，与基底-金属光栅透射式滤光片相比，共振峰的透射效率从40%提高至70%，半峰全宽从0.002μm增加到0.085μm；该结构只需改变光栅周期获得RGB三基色，可以采用不同周期的模版同时实现三基色，便于生产。
　　（3）已报道的亚波长光栅彩色滤光片角度宽容性只有15度，还不能满足行业应用中对于彩色滤光片的性能要求。本文设计了两种宽角度反射式滤光片，一种由金属-介质-金属光栅构成，另一种由介质光栅-金属构成，对这两种结构的反射滤光特性及入射角度对反射效率的影响进行了研究。模拟结果表明，它们的反射光谱在0~45度范围基本不退化，其角度宽容性优于已有亚波长光栅滤光片。
　　（4）已报道的亚波长光栅彩色滤光片不能实现黑色，而黑色有利于调整图像的对比度。针对这个问题，提出了用于可见光波段的金属光栅吸收式滤光片，实现了在大角度范围宽波段光波的有效吸收。该结构在0.4~0.7μm波段、0~45度入射角变化范围，吸收效率大于90%，且对入射光的偏振态不敏感。理论上，可以为纳米印刷实现黑色提供解决方案。
　　（5）在柔性 PET材料和玻璃基底上应用软纳米压印方法制备了双层金属光栅偏振片和宽角度反射式滤光片，进行了器件的性能测试，验证了理论计算的正确性。本文开展的工作，将拓展亚波长光栅偏振和滤光器件的应用领域，为新型低耗能平板显示、无油墨纳米印刷等行业中的应用提供理论和技术基础。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景和目的

1.2 基于亚波长光栅的纳米光学器件的研究现状

1.3亚波长光栅中的共振现象

1.4 亚波长光栅的制备

1.5 主要研究内容及创新点

第二章 亚波长双层金属光栅偏振片

2.1 引言

2.2 双层金属光栅偏振透射特性

2.3 增加高折射率介质层的双层金属光栅偏振片

2.4 带有纳米空气沟槽的双层金属光栅偏振片

2.5与已有双层金属光栅偏振片性能比较

2.6 本章小结

第三章 透射式彩色滤光片

3.1 引言

3.2 单层金属光栅透射特性分析

3.3 透射式彩色滤光片

3.4 本章小结

第四章 宽角度反射式和吸收式滤光片

4.1宽角度反射式彩色滤光片

4.2宽角度吸收式滤光片

4.3 本章小结

第五章 亚波长光栅结构制备

5.1 引言

5.2 亚波长光栅偏振片的制备及性能测试

5.3 亚波长光栅滤光片的制备及性能测试

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读博士学位期间公开发表的论文

致谢