基于Ag微纳结构阵列的光学滤波器研究

摘要

等离子光学滤波器在下一代光学滤波相关的应用中具有超越衍射极限的尺寸、宽的可调节性、极限环境中稳定的光学性能、和与设备集成的兼容性等优势，已成为研究热点之一，若要将其用于商业应用中，需要进一步提升器件性能实现超越现有的技术方案和大规模削减微纳结构加工的成本。本文针对这些方面着手进行了一系列的研究。
　　首先对Ag线光栅等离子减色滤光片开展了研究。等离子彩色滤光片是等离子光学滤波器最具应用前景的代表，我们以Ag这种常规材料为例，设计了玻璃基底上超薄Ag膜的亚微米一维线光栅，仿真研究了Ag膜厚度和光栅周期对其滤波特性的影响。基于仿真结果，我们拟合出了透射率最小值波长以Ag膜厚度和光栅周期为变量的经验公式。利用该经验公式我们实际制作了滤光片，并对其可信度进行了一系列的实验验证，实验结果表明该公式用来指导一维线光栅彩色滤光片的设计非常有效，获得的滤光片具有结构简单、透射率高、分辨率高以及偏振相关的特性。
　　其次，研究了一种TE/TM偏振无关的等离子减色滤光片。设计了二维超薄Ag纳米圆盘，利用其反常超低透射（ELT）现象，在可见光波段的最高透射率可以达到70％以上。系统地开展了Ag膜膜厚和纳米圆盘周期大小对滤波特性影响的理论和实验研究，并根据研究结果，优化几何参数，设计出所需的基于纳米圆盘结构的等离子减色滤光片。这种TE/TM偏振无关减色滤光片，因为在可见光波段具有很小的尺寸和很高的透射率，在未来数码成像、信息存储和传感领域都有很乐观的应用前景。
　　随后，设计了一种新型双层光栅结构近红外光滤波器。它同时具有带阻和带通两种工作模式，仿真和实验均证实了其在近红外波段反射光谱中阻带的存在，而其在近红外波段的透射光谱中存在通带的结论也通过仿真证明是正确的。我们对这种新型滤波器在不同条件下的滤波特性进行了系统研究，获得的结果表明具有圆形孔洞结构并使用Ag作为金属膜的滤波器呈现出超过500 nm的带阻、带通宽度，而且阻带、通带同样受到结构参数的强烈影响。我们制备了三种带阻滤波器进行实际测试分析，实验结果与仿真结果非常吻合。同时，我们从仿真结果中寻找到了三种具有应用前景的带通滤波器，虽然因为蒸镀Ag使得在纳米孔里PMMA墙壁上存在很多大约数十纳米的Ag纳米颗粒，最终导致滤波器在通带内吸收率高，透射率低于仿真值而反射率正常，但是，通过这种制备方法制作出来的滤波器因为吸收率高，从另一种角度，也可以用作近红外波段的一种新型完美吸收器，而且仿真的结果对未来有可能出现的能实现该带通模式的制备方法也具有指导意义。这种新设计的近红外光学滤波器仅包含数十纳米厚的超薄金属膜，电介质层和基底等部分，具有在近红外波段宽阻带、通带，结构简单和高可调节性等优势。
　　最后，探索了大面积制备等离子纳米结构的方法。我们通过对现有用呼吸图法制备具有蜂巢状排列孔洞的聚合物薄膜的设备进行了改进，使得通过设备的气流更加稳定、湿度更高，进而显著提高了大尺寸孔洞薄膜的制备成功率，孔洞具有更高的规则性，蜂巢状结构面积也更大。我们还利用制备的薄膜进行了Lift-off工艺试验，获得了一些经验，这些对于以后用呼吸图法制备小尺寸孔洞薄膜和以该薄膜为模板进行微纳结构转移都具有很大的意义。

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致谢

摘要

术语表

第1章 绪论

1．1 光学滤波器概述

1．2 光学滤波器的研究现状

1．3 本文的研究目的及意义

1．4 本文的主要研究内容及成果

第2章 光学滤波器相关理论及研究方法

2．1 光学滤波器相关理论

2．2 研究方法

2．2．1 仿真研究

2．2．2 实验研究

第3章 Ag线光栅可见光滤波器的研究

3．1 Ag线光栅滤波器的FDTD仿真

3．2 具有指导意义的经验公式

3．3 经验公式的验证

第4章 Ag圆盘阵列可见光滤波器的研究

4．1 Ag圆盘阵列滤波器的仿真设计和参数优化

4．2 Lift-off工艺制备Ag圆盘阵列滤波器

4．3 滤波性能的表征

4．3．1 颜色

4．3．2 透射光谱

第5章 一种新型双层光栅结构近红外光滤波器的研究

5．1 新型双层光栅近红外光滤波器的结构

5．2 滤波器性能的仿真设计

5．2．1 带阻模式的新型滤波器

5．2．2 带通模式的新型滤波器

5．3 工作机制分析

5．3．1 光谱特性方面

5．3．2 电场分布

5．4 EBL系统制备新型双层光栅近红外光滤波器

5．5 滤波器性能的测试及分析

5．5．1 带阻模式

5．5．2 带通模式

5．6 一种大面积制备滤波器方法的探索

第6章 总结与展望

参考文献

作者简介

攻读博士期间发表的论文情况及其他研究成果