[发明专利]一种基于层叠式亚波长光栅的高透射连续可调谐滤光片

说明书

本发明公开了一种基于层叠式亚波长光栅的高透射连续可调谐滤光片，包括依次层叠的基底层、中间层和周期性的光栅阵列。所述中间层的折射率为1.4～1.5。所述周期性光栅阵列包括多个周期性排列的直条形层叠式光栅，其线宽W范围150～180nm，周期P范围为160～400nm。所述层叠式光栅自下而上分别为底部Ag层、BK7层、MgFsubgt;2/subgt;层和顶部Ag层，MgFsubgt;2/subgt;层的厚度Hsubgt;m/subgt;与BK7层的厚度Hsubgt;b/subgt;满足Hsubgt;m/subgt;/Hsubgt;b/subgt;＝0.55，底部Ag层和顶部Ag层的厚度相等。通过调节光栅阵列的周期P或厚度，可以使滤光片的调谐范围覆盖整个可见光波段的目标共振峰。同时，该滤波器的多种共振模式谐振，可以提高透射率。

技术领域

本发明属于微纳光学器件技术领域，涉及透射式结构色超表面滤光片器件，具体涉及一种基于层叠式亚波长光栅的高透射连续可调谐滤光片。

背景技术

滤光片是一种常用的光学设备，用于传输或反射特定波长的光，以显示所需的颜色，被广泛应用于CMOS图像传感器、防伪技术、彩色印刷、纳米显示应用等领域。传统的色素性着色的滤光片通过表面的染料来吸收特定波长的光，进而达到显示特定颜色的目的，这种滤光片既不耐高温也不能长期承受紫外线辐射，受到长时间照明时会发生降解，因此其性能会随着时间的推移而显著下降，并且降解产物对环境不友好。结构色着色是通过滤光片表面的微观结构与自然光相互作用产生的，其微观结构微小到足以干扰可见光，一般发生在干涉、衍射、散射等光学现象中。结构性着色相比于色素性着色更加稳定不易褪色、足够环保，同时在色域宽度、饱和度、亮度和分辨率方面有显著的优势。

现有技术利用各种物理现象将金属和介电纳米结构设计应用于结构色滤光片中，常见的技术方案有多层薄膜法布里珀罗(FP)腔和共振型周期性微结构两种。而现有的结构色滤光片通常存在着两个问题：(1)通过各式共振得出的共振波长的调谐范围无法覆盖整个可见光波段；(2)共振峰的透射率不高，进而影响到其应用场景。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于层叠式亚波长光栅的高透射连续可调谐滤光片。通过调节光栅周期，可以使共振波长的调谐范围可以覆盖整个可见光波段，同时具有透射率高的优点。

基于层叠式亚波长光栅的高透射连续可调谐滤光片，包括依次层叠的基底层、中间层和周期性的光栅阵列。所述中间层的折射率为1.4～1.5。所述周期性光栅阵列包括多个周期性排列的直条形层叠式光栅，其线宽W范围150～180nm，周期P范围为160～400nm。所述层叠式光栅自下而上分别为底部Ag层、BK7层、MgF₂层和顶部Ag层，MgF₂层的厚度H_m与BK7层的厚度H_b满足H_m/H_b＝0.55，底部Ag层和顶部Ag层的厚度相等。

作为优选，所述基底层为BK7玻璃材料，厚度不小于200um。

作为优选，所述中间层的材料为PDMS，厚度为100nm。

作为优选，通过调整光栅周期P或厚度调谐所述滤光片的目标可见光波长。

作为优选，当增大光栅周期时，目标可见光波长发生蓝移；当减小光栅周期时，目标可见光波长发生红移。

作为优选，当等比例增大BK7层与MgF₂层的厚度时，目标可见光波长红移；当等比例减小BK7与MgF₂层的厚度时，目标可见光波长蓝移。

作为优选，当目标可见光波段为400～500nm时，设置顶部Ag与底部Ag层的厚度为40nm，MgF2层的厚度为66nm，BK7层的厚度为120nm，线宽W为150nm，周期P为160～360nm。