基于纳米微腔的可见光分束滤波薄膜及其设计方法

1.本发明属于薄膜光学技术领域，尤其涉及一种基于纳米微腔的可见光分束滤波薄膜及其设计方法。


背景技术：

2.光分束器是可以将一束光分为两束或多束光的光学装置，如半透半反射镜可用于两束光的分束。常见的实现半透半反的方式有：偏振分光、介质膜分光镜和点阵金属膜等。偏振分光是对透射光和反射光的偏振进行选择，比如反射s偏振光同时透射p偏振光，对于可见光来说，可以达到光能半透半反的效果；介质膜分光镜利用介质膜的涂层实现对透反射能量比例的控制；点阵金属膜是根据金属膜的占比调节透反射能量。由于可以实现光路的分束和能量的控制，半透半反镜常用于光学实验、数码显示等各领域。光学滤光片是通过光学薄膜技术或颜料，用来实现所需光波波段的选通，并且滤去其他波段的光波。随着对光学系统的集成化、小型化的要求和趋势，光学薄膜通过简单的镀膜工艺，可以实现在亚波长尺度下实现对光波光谱的控制，例如增透膜、滤光膜、反射膜等，因此光学薄膜器件在光学系统集成化中具有一定的优势。与此同时，将各种光学器件的功能利用光学薄膜进行集成化也是一项挑战，例如光束分束与光谱滤波功能的集成，因此如何使光学薄膜在微纳尺度下变得更紧凑、多功能化等，亟待新的技术创新和革命。


技术实现要素：

3.针对现有技术中的不足，本发明提供了一种基于纳米微腔的可见光分束滤波薄膜及其设计方法。
4.为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
5.第一方面，本发明提供一种基于纳米微腔的可见光分束滤波薄膜，其特征在于：由如下四层薄膜堆叠构成：电介质
‑
金属
‑
电介质
‑
银层；所述电介质
‑
金属
‑
电介质
‑
银层按照顺序依次自上而下排布；
6.所述电介质
‑
金属
‑
电介质
‑
金属薄膜的底层金属为银；
7.所述电介质
‑
金属
‑
电介质
‑
金属薄膜均为亚波长尺度；
8.所述电介质
‑
金属
‑
电介质
‑
金属薄膜的工作波长由中层电介质厚度决定。
9.作为优选方案，所述电介质
‑
金属
‑
电介质
‑
银层中的金属层选择钛、镍、铂或铬中任一种；所述电介质
‑
金属
‑
电介质
‑
金属薄膜结构的电介质层和上层金属层可以根据需求选择材料替换；所述电介质层选择二氧化硅或导电玻璃。
10.进一步地，所述可见光分束滤波的工作波长能通过中间层电介质厚度调节。
11.本发明提供的基于纳米微腔的可见光分束滤波薄膜的应用为：所述基于纳米微腔的光学薄膜可以同时对可见光进行分束和滤波操作，实现了亚波长尺度下，两种光学器件功能的集成。
12.第二方面，本发明提供一种基于纳米微腔的可见光分束滤波薄膜的设计方法，其
特征在于：包含如下步骤：
13.s1、确定可见光分束滤波薄膜的结构为电介质
‑
金属
‑
电介质
‑
银层按照顺序依次自上而下排布；
14.s2、选定工作波长λ1，扫描中层电介质层的厚度，使得薄膜的透射峰在λ1处；
15.s3、同时优化金属层和银层的厚度，使得在工作波长λ1处，透射峰和反射峰重合；
16.s4、改变工作波长为λ2，重新进行步骤s2、s3即可。
17.本发明的优点及有益效果如下：
18.1、通过四层纳米薄膜的堆叠可以实现光分束器和光学滤波器的集成，由于是薄膜结构，易于与其他光学器件进行再集成。且结构简单易于加工，同时还具有超微尺寸等重要优点。
19.2、通过调节电介质
‑
金属
‑
电介质
‑
金属中间层电介质层的厚度，可以实现对工作波长的控制，设计十分简单。
20.3、纳米微腔中电介质层的材料选取具有普适性，可以选择二氧化硅，有机玻璃常用电介质材料；同时上层金属层也具有可替换性，可以选择钛、铂、铬、镍等具有类似光学性能的金属。
附图说明
21.图1是本发明中基于纳米微腔的可见光分束滤波薄膜的结构和功能示意图；
22.图2是本发明实施例中上层金属为钛时，实现对绿光进行分束和滤波的结构示意图和透反射性能仿真图；
23.图3是本发明实施例中上层金属为钛时，实现对蓝光或红光进行分束和滤波的结构示意图和透反射性能仿真图；
24.图4是本发明实施例中上层金属为铂时，实现对绿光进行分束和滤波的结构示意图和透反射性能仿真图；
25.图5是本发明实施例中上层金属为镍时，实现对绿光进行分束和滤波的结构示意图和透反射性能仿真图；
26.图6是本发明实施例中上层金属为铬时，实现对绿光进行分束和滤波的结构示意图和透反射性能仿真图；
27.图中：h1为顶层电介质的厚度、h2为中间层电介质的厚度、t1为上层金属的厚度，t2为下层金属的厚度。
具体实施方式
28.为了更清楚的说明本发明结构以及其实现的功能，下面以具体实施例结合附图对本发明作进一步说明。
29.实施例1
30.本实施例为基于纳米微腔的可见光分束滤波薄膜结构的具体设计过程和性能表征。
31.作为实施例，为更清楚的说明发明结构设计和性能，将选取确切的电介质和金属材料，通过电磁场仿真软件fdtd solutions进行结构参数的设计和优化，并表征器件的性
能。
32.图1为这种四层薄膜堆叠结构的功能和结构示意图，当可见光经过具有不同中间电介质层的纳米微腔薄膜后，可以实现同一种颜色光波的透射和反射，即光分束器与光滤波器的集成。作为实施例，首先，选取二氧化硅(sio2)，折射率为1.45作为电介质层材料，钛(ti)作为上层金属层材料，银(ag)作为下层金属层材料，确定纳米微腔的结构为sio2‑
ti
‑
sio2‑
ag的薄膜堆叠结构。利用电场仿真软件，对四层不同薄膜的厚度进行扫描和优化设计，可以确定当上层sio2厚度h1＝80nm，上层ti厚度t1＝12nm，中间层sio2厚度h2＝110nm，底层ag厚度t2＝18nm时，可以实现中心波长为550nm的光学滤波和光束分束，如图2所示。
33.根据图2所示，在设计的纳米微腔薄膜结构下，透射和反射的光谱保持一致，并且在550nm附近具有峰值。其他波长的光如400nm蓝光附近以及650nm红光附近，透反射的光强都比较弱(入射光强度为1)，大部分被吸收。因此，实现了绿光滤光片的功能。又由于透反射光谱形状一致，且能量相当，该纳米微腔实现了既透射绿光也反射绿光，即该设计也满足光分束器的功能。
34.图3展示了保持上层sio2厚度、上层ti厚度以及底层ag厚度不变，改变中间层sio2厚度为110nm，即可以实现蓝光的分束和滤波；当中间层sio2厚度设置为180nm时，即可以实现红光的分束和滤波。因此，在确定上层电介质、上层金属层、底层金属层厚度后，通过调整中间层电介质厚度，可以简单易得的可见光滤波的工作区域，从蓝光覆盖到红光。
35.为说明和展示本发明中材料的可替换性，在固定上层电介质厚度为80nm以及中间层电介质厚度为145nm的情况下，对上层金属的材料进行替换，并针对不同的材料进行结构的重新优化。
36.图4为当上层金属替换为铂(pt)后，经过优化的结构参数，以及对绿光的滤波和分束性能表征。不同的金属，会带来性能的微小差异，可以通过不断优化减小差异性。图5为当上层金属替换为镍(ni)后，经过优化的结构参数，以及对绿光的滤波和分束性能表征。
37.根据图2、图4和图5可以发现，选取不同的金属，对工作波长的影响不大，都是对绿光进行了分束和滤波，也说明了工作波长主要由中间电介质层的厚度决定。
38.图6为当上层金属替换为铬后，经过优化的结构参数，以及对绿光的滤波和分束性能表征。对于铬(cr)作为上层金属层时，其上层cr层与底层ag层进行同时优化，可以得到cr层厚度为6nm，ag层厚度为15nm时，其对于绿光的分束和滤波性能最好。
39.本发明设计的基于纳米微腔的可见光分束滤波薄膜，所提出的四层薄膜架构，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图和材料替换获得其他的附图。