本发明属于光学器件技术领域，具体涉及一种多功能滤光片及其控制方法。
背景技术：
滤光片是塑料或玻璃片再加入特种染料做成的，红色滤光片只能让红光通过，绿色只能让绿色通过，如此类推。玻璃片的透射率原本与空气差不多，所有色光都可以通过，所以是透明的，但是染了染料后，分子结构变化，折射率也发生变化，某些色光的传输路径也就发生了变化。比如一束白光通过蓝色滤光片，射出的是一束蓝光，而绿光、红光极少，大多数被滤光片吸收了。滤波片用于滤去某一波长范围的光，起单色器的作用，但它不可能得到单色光。
红外截止滤光片是一种应用于过滤红外波段的滤镜。比如装在白炽光灯的设备上（如：幻灯片、投影机）可以阻挡不必要的热度灼伤镜头，装在固态电子器件(CCD或CMOS)的摄影机上，可以阻止红外线穿过摄像机的镜头造成图片失真等。红外截止滤光片的制备需要复杂的工艺，一次制备后滤光片结构确定，其透射特性即确定，难以更改。同时，因为红外光相对可见光对一些材料及衣料具有穿透能力(如薄化纤、烟雾、水气等)，能拍出神奇的透视效果，在军事、公安、考古、医学等领域有着广泛的应用，红外滤镜也常被用来与红外感光设备配合进行红外摄影。红外截止滤光片和红外滤镜有着截然相反的特性需求，无法在同一滤光片上实现截止红外光和透过红外光两种相反的功能。
技术实现要素：
为了解决现有技术中存在的无法在同一滤光片上实现截止红外光和透过红外光两种相反的功能的问题，本发明提供了一种多功能滤光片及其控制方法。该滤光片可以通过控制金属纳米层的材料性质来调节透射特性，在同一滤光片上实现截止红外光和透过红外光两种功能。该滤光片结构简单，后期使用时只需要根据需要进行吸氢脱氢作用即可实现对该滤波片透射特性的调节，制备和控制方法简单方便。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种多功能滤光片，包括金属纳米层、基底层和连接在金属纳米层和基底层之间的平面结构；
所述平面结构由多个结构相同的纳米周期单元按矩形周期阵列平面连接构成；
所述每个纳米周期单元由相邻的一矩形金属块和一矩形孔构成；
所述金属块由贵金属制成；所述金属纳米层为金属镁材料制成。
进一步地，所述矩形金属块和矩形孔几何尺寸相同。
进一步地，所述基底层为玻璃基底。
进一步地，所述金属纳米层、基底层和平面结构的长度和宽度均相等。
进一步地，所述滤光片的控制方法，包括以下步骤：
步骤1，在室温下，将所述滤光片置于充满氢气的密闭装置中，加入催化剂钯，静置30min以上，所述金属纳米层金属镁与氢气发生氢化反应生成氢化镁，也就等同于介质，使得所述滤光片的结构发生改变，其透射特性随之发生变化；
步骤2，在室温下，将氢化后的滤光片置于氧气环境中，氢化镁发生氧化脱氢反应，所述金属纳米层的氢化镁还原为金属镁，所述滤光片的透射特性还原至初始；
通过上述步骤1和步骤2的转换，即可实现所述滤光片透射特性的调节。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.本发明滤光片可通过改变金属纳米层的材料性质，实现对滤光片透射特性的调控，而且操作简单，具有很强的推广和应用价值。
2.本发明滤光片金属纳米层为金属镁时，其红外光的透射率接近于0，可透过可见光，而红外波段的光被截止，可用于制备普通红外截止滤光片等光学器件；当滤光片金属纳米层转化为氢化镁时，红外光透射率接近于1，红外光几乎可以完全透过，可用于制备红外滤镜等光学器件。
3.本发明滤光片金属纳米层在镁和氢化镁两种状态的转化时只需要进行脱氢吸氢反应即可实现，此过程无毒无害，操作简单便捷，不仅对今后设计滤光片具有一定的设计指导作用，更为其他光学器件的设计提供了一种新的研究方向和思路。
4.本发明滤光片金属纳米层使用的为金属镁材料，Mg价廉易得，MgH2包含高达7.6%质量分数的氢，超越所有可知的可逆金属氢化物，Mg在紫外和蓝色可见光波段具有优越的消光效能，可以产生高频等离激元，这是其他金属所不具备的性能。
附图说明
图1是本发明滤光片结构主视图；
图2是本发明滤光片每个纳米周期单元结构示意图；
图3是本发明滤光片平面结构俯视图；
图4是本发明滤光片金属纳米层金属镁性质转化前后透射光谱图。
其中，图中：1、金属纳米层；2、平面结构；21、矩形金属块；22、矩形孔；3、基底层。
具体实施方式
本申请实施例通过提供一种多功能滤光片及其控制方法。该滤光片可以通过控制金属纳米层的材料性质来调节透射特性，在同一滤光片上实现截止红外光和透过红外光两种功能。该滤光片结构简单，后期使用时只需要根据需要进行吸氢脱氢作用即可实现对该滤光片透射特性的调节，制备和控制方法简单方便。
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
如图1、图2和图3所示，本实施例提供了一种多功能滤光片，包括金属纳米层1、基底层3和连接在金属纳米层1和基底层3之间的平面结构2，平面结构2由多个结构相同的纳米周期单元按矩形周期阵列平面连接构成。
如图2所示，每个纳米周期单元由相邻的一矩形金属块21和一矩形孔22构成，矩形金属块21由贵金属制成，本实施例优选为金材料。金属纳米层1为金属镁材料制成。矩形金属块21和矩形孔22几何尺寸相同。基底层3优选为玻璃基底。金属纳米层1、基底层3和平面结构2的长度和宽度均相等。
本实施例滤光片可通过改变金属纳米层1的材料性质，实现对滤光片透射特性的调控。本实施例滤光片金属纳米层1为金属镁时，其红外光的透射率接近于0，可透过可见光，而红外波段的光被截止，可用于制备普通红外截止滤光片等光学器件；当滤光片金属纳米层1转化为氢化镁时，红外光透射率接近于1，红外光几乎可以完全透过，可用于制备红外滤镜等光学器件。
此外，本实施例滤光片金属纳米层1使用的为金属Mg材料，Mg价廉易得，MgH2包含高达7.6%质量分数的氢，超越所有可知的可逆金属氢化物，Mg在紫外和蓝色可见光波段具有优越的消光效能，可以产生高频等离激元，这是其他金属所不具备的性能。
实施例2：
本实施例中的滤光片结构简单，制备工艺简单快捷，在后期使用时只需要根据需要进行吸氢脱氢作用即可实现对该滤光片透射特性的调节，制备工艺和调节方法简单方便，易于操作。
基于实施例1的滤光片结构，本实施例提供了一种滤光片的控制方法，包括以下步骤：
步骤1，在室温下，将滤光片置于充满氢气的密闭装置中，静置30min以上，金属纳米层1金属镁与氢气发生氢化反应生成氢化镁，也就等同于介质，使得滤光片的结构发生改变，其透射特性随之发生变化；
步骤2，在室温下，将氢化后的滤光片置于氧气环境中，氢化镁发生氧化脱氢反应，金属纳米层1的氢化镁还原为金属镁，滤光片的透射特性还原至初始；
通过上述步骤1和步骤2的转换，即可实现滤光片透射特性的调节。
滤光片的制备工艺要求非常严苛，一种结构只能实现特定透射特性，无法在同一结构上实现两种不同的透射特性，不可能在同一镜片上实现两种截然相反的功能，而只能通过重新设定和制备滤光片来达到我们的目的。基于实施例1中公开的滤光片，在本实施例中，提供了一种滤光片的控制方法，通过吸氢脱氢作用，在不重新制备的情况下改变该滤光片金属纳米层1材料的性质来改变该结构的透射特性，从而达到调整透射特性的目的。
在常温下，将该滤光片置于含有一定浓度氢气的密闭容器中，以钯为催化剂，本实施例优选氢气体浓度为0.25V%和3.0V%，以氮气为载气。钯作为催化剂将氢气分子分解为氢原子，与金属Mg发生氢化作用。
在氢气体浓度为0.25V%时，随着时间的推移，金属Mg逐渐发生吸氢作用形成MgH2，发生了从完全金属化到完全介质化的转化，整个氢化过程完成大约100分钟。将该结构置于3.0V%体积分数的高浓度氢气中，吸氢几乎是瞬间的。我们可以通过氢气浓度来调节金属Mg的转化速率和金属纳米层1材料镁的转化率。
然后在室温下，将氢化后的滤光片暴露在空气当中，发生脱氢氧化作用，氢气逐渐从金属Mg上脱离，MgH2逐渐转化为金属Mg，还原为初始状态，该结构的透射特性及电场分布也恢复至之前的状态。
所以，本实施例滤光片可以实现对该结构中部分材料的性质调节，金属Mg通过吸氢脱氢作用，通过Mg（金属）到MgH2（介质）的转化实现对该结构金属纳米层1材料性质的调节来实现对红外光透射强度的调节，操作简单方便，为滤光片的设计提供了一种新的思路。
本实施例滤光片金属纳米层1在镁和氢化镁两种状态的转化时只需要进行脱氢吸氢反应即可实现，此过程无毒无害，操作简单便捷，不仅对今后设计滤光片具有一定的设计指导作用，更为其他光学器件的设计提供了一种新的研究方向和思路具有一定的指导意义。
实施例3：
本实施例中，在吸氢脱氢反应分别完成后，在300~2000nm波段测试其透射强度，包含了红外光和可见光的波长范围，可以被用在实际生活中。
基于实施例1和实施例2所述的滤光片结构，通过使用三维有限元方法（FEM）计算软件COMSOL Multiphysics进行计算仿真模拟试验。具体设置参数如下：
金属纳米层1厚度为10nm；基底层3厚度为50nm；平面结构2厚度为20nm；每个纳米周期单元中：矩形金属块21尺寸：长20 nm×宽20 nm×厚20 nm；矩形孔22尺寸：长20 nm×宽20 nm×厚20 nm。
如图4所示，是本实施例滤光片金属纳米层1材料性质转化前后的透射光谱图。从图中我们可以清楚的得出：
当金属纳米层1为金属镁时，其透射谱图中，随着波长的增加，透射在不断减小，在800nm以后几乎为零，即可见光可透过，而红外波段的光被滤掉，可以实现阻截红外光的功能。
当金属块完全介质化时（MgH2），其透射谱图中，随着波长的增加，透射也在不断增大，在大约800nm以后逐渐接近1，即红外光可以透过，实现透过红外光的功能。
因此，在实施例1的结构上，本实施例的滤光片，本实施例中的滤光片可以通过金属镁和氢化镁的转化实现对金属纳米层1材料性质的转化，可以实现对红外光透射特性的调节，可以在同一结构上实现截止红外光和透过红外光两种截然相反的功能。而且在金属纳米层1材料金属镁转化前后其透射的强度和透射强度的变化趋势都发生了变化，扩大透射频谱范围等等功能，操作简单方便，这一结果不仅对今后设计滤光片具有一定的设计指导作用，更为其他光学器件的设计提供了一种新的研究方向和思路。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。