[发明专利]基于介质超表面结构的窄带滤光片及其制作方法

说明书

本发明公开了一种基于介质超表面的窄带滤光片，包括衬底、多层介质薄膜和在薄膜上制备的介质超表面。介质超表面为亚波长周期性结构，垂直入射的光束能够激发介质超表面内部光场的集群性相干振荡，并与入射光相互作用改变光的透射和反射特性。通过对于介质超表面结构单元和排布的设计，能够减小谐振的带宽，从而实现窄带滤波的特性。本发明还提供了制作方法，包括：在衬底上生长多层介质薄膜材料后，形成超表面图形结构的抗蚀掩模；将图形结构转移到顶层介质薄膜上；去掩模，清洗。本发明制作步骤简单且可与CMOS工艺兼容，能够同时实现窄带宽以及高消光比。与传统的多层膜窄带滤光片相比，降低了工艺成本，实现了更窄的带宽和更高的反射率。

技术领域

本发明属于微纳光子器件领域，更具体地，涉及一种基于介质超表面结构的窄带滤光片及其制作方法。

背景技术

滤光片是在塑料或玻璃基材中加入特种染料或在其表面蒸镀光学膜制成，用以衰减(吸收)光波中的某些光波段或以精确选择小范围波段光波通过，而反射(或吸收)掉其他不希望通过的波段。通过改变滤光片的结构和膜层的光学参数，可以获得各种光谱特性，使滤光片可以控制、调整和改变光波的透射、反射、偏振或相位状态。滤光片的分类方法一般是按光谱波段、光谱特性、膜层材料、应用特点等特性进行分类。滤光片按照光谱特性分类可以分为带通滤光片、截止滤光片、二向分光滤光片(如半透半反镜)、中性密度滤光片、反射滤光片等；滤光片按照光谱波段分类可以分为紫外波段滤光片、可见光滤光片和红外波段滤光片；滤光片按照应用膜层材料分类可以分为软膜滤光片和硬膜滤光片；滤光片按照应用特点分类可以分为医用生化仪用滤光片、荧光显微镜用滤光片、激光滤光片等。

所谓窄带滤光片，是从带通滤光片中细分出来的，其定义与带通滤光相同，也就是这种滤光片在特定的波段允许光信号通过，而偏离这个波段以外的两侧光信号被阻止，窄带滤光片的通带相对来说比较窄，一般为中心波长值的5％以下。基于这种特性，窄带滤光片广泛应用于拉曼光谱研究分析、纳米材料结构的研究、生物医学以及固体激光器系统中。

传统的窄带滤光片的原理是基于多光束干涉，通过精确设计多层介质膜的厚度，构成一种多级串联法布里-珀罗干涉，来实现比较窄的带宽。然而以这种方法，即使在紫外波段，能够达到的最小带宽也有数个纳米；同时，带宽越小，需要的介质膜的层数越多，每一层介质薄膜的生长都需要极为精确的控制，制作难度不断加大，成本极高。而对于激光反射镜以及拉曼光谱分析等应用，带宽越小越好，而基于多光束干涉的传统窄带滤光片无法实现带宽的更进一步缩窄。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于超表面结构的窄带滤光片及其制作方法，由此解决传统的多层膜窄带滤光片存在的工艺成本较高、带宽较宽及反射率较高的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于超表面结构的窄带滤光片，包括：衬底、位于所述衬底上的若干层介质薄膜以及位于所述介质薄膜上的介质超表面功能层；

其中，所述介质超表面功能层的表面为具有亚波长周期性结构的超表面结构，所述超表面结构上制备有若干个拼接的微纳图形阵列，每个所述微纳图形阵列为多个相同的微纳图形周期排布构成。

优选地，通过调控所述微纳图形阵列中微纳图形的尺寸和周期改变单个微纳图形阵列的反射波长，能够减小谐振的带宽，从而实现窄带滤波的特性。

优选地，垂直入射的光束能够激发所述超表面结构的内部光场的集群性相干振荡，所述内部光场的局域振荡与入射光相互作用能够改变光的透射和反射特性。

优选地，所述介质薄膜为高折射率介质层或者低折射率介质层。

优选地，所述窄带滤光片的工作方式为窄带透射或者窄带反射。

优选地，所述微纳图形阵列中的微纳图形排布为四方晶格、六方晶格或者准晶格。

优选地，所述微纳图形为纳米孔、纳米柱、纳米小球、纳米环或纳米棒。