一种亚波长光栅结构呈色元件及含有该元件的呈色产品的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种亚波长光栅结构呈色元件及含有该元件的呈色产品，隶属于人造结构色和微纳米光学的技术范畴，可应用于结构色彩色装饰、光学防伪、透明显示、彩色显示和成像等领域。
【背景技术】
[0002]通过入射光与物质材料结构的相互作用包括干涉、衍射、散射等而非吸收所呈现的颜色被称为结构色。结构色现象广泛存在于自然界中并被众多动植物所利用，这是大自然的杰作。而在人类社会中，利用特征尺寸接近或小于入射光波长的微纳米结构对入射光波进行调控，也能够创建(人造)结构色并使之具有与自然界中的结构色相似或不同的特殊光色现象。由于结构色拥有颜色鲜艳、永不褪色、光色可变等诸多优点，使得它在彩色装饰、光学防伪、透明显示、彩色显示和成像等领域具有很好的市场应用价值。
[0003]专利CN200810036676.0公开了一种多峰窄带反射滤光片，该滤光片由多层介质材料交叠构成，可控制反射光谱峰的宽度和位置;专利CN200910028285.9公开了一种亚波长光栅结构彩色滤光片，该滤光片由透明基底和两个介质光栅层构成，能够使透过的光具有光谱峰及宽波段滤波功能;专利CN200910209648.9公开了一种包括介质光栅层的光学防伪元件，可使之反射光拥有颜色变化特征；专利CN201110410055.6公开了一种包括亚波长浮雕结构的光学防伪元件，能够产生颜色及颜色变化特征;专利CN201110377643.4公开了一种包括亚波长金属-介质光栅的反射偏振光变膜，其反射光具有偏振光变性能；专利申请CN201210388245.7公开了一种偏振无关的窄带彩色滤光片，它由基底层、两层薄膜层和单层介质光栅构成，其反射光谱具有峰及窄带滤波性能；专利申请CN201310027301.9公开了一种具有七个结构层的亚波长光栅真彩元件，能够产生较为丰富的颜色外貌；专利CN201310689440.8公开了一种对入射角度不敏感的颜色介质滤光片，包括基底和基底上布置的正六边形排列的圆柱形光栅，该滤光片利用二维介质光栅的谐振效应使之反射光谱具有峰及窄带滤波特性;专利申请CN201410693385.4公开了一种由金属和介质构成的具有全方向结构色特征的多层叠层;专利申请CN201410196066.2提供了一种亚波长光栅波导结构真彩元件，该元件由介质材料构成，包括衬底层、薄膜层和单光栅层，能够从入射的自然光中分离出红、绿、蓝反射光三基色;专利申请CN201410059313.4公开了一种亚波长光栅结构红外双波段马赛克阵列滤光片，该滤光片由硅基底和位于基底上的亚波长光栅阵列构成，能够使透过的光拥有光谱峰及窄带滤波特征。
[0004]近些年，光学矢量衍射理论的逐步完善和微结构精加工技术的快速发展，使得人造结构色的创建和实际应用，无论是在理论建模设计上还是在制作上，逐步成为可能。如何利用尺寸极小的微纳米结构的特殊光学效应，使之展现与众不同且可控的结构呈色颜色现象，无论是利用波导共振还是表面等离子激励以及光子晶体效应，目前来看，仍然是一个很具有挑战性的课题。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种亚波长光栅结构呈色元件。通过对该元件内不同结构功能层微结构的参数设计和匹配，能够实现对可见光波段(0.4-0.7μπι)内任意波长及波段的TE和TM模光的光谱进行分别滤波调控，以及对TE和TM模光的光谱进行滤波综合调控，获得呈色质量高、种类丰富、效果特殊的可控人造结构色效应。
[0006]本发明的另一目的是提供一种呈色产品，包括上述的亚波长光栅结构呈色元件。
[0007]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0008]一种亚波长光栅结构呈色元件，由下至上依次包括四个核心结构功能层:亚波长金属-介质光栅层2、透明介质层3、亚波长介质光栅层4和亚波长介质光栅层5;所述的结构功能层2由透明介质m和等离子金属(用“Metal”表示)沿X轴方向间隔排列构成，材料排列周期Λ为0.05-0.35μπι且介质m的宽度与Λ的比值f为0.35-0.85，层2的深度为0.002-0.045μηι，层2相对层5的水平移位Δ < Λ ';所述功能层3由透明介质Π2构成，深度为0.001-1 Ομπι;所述功能层4和5分别由低折射率透明介质M、高折射率透明介质r/ 3，和高折射率透明介质Y 4、低折射率透明介质m，沿X轴方向间隔排列构成，材料排列周期Λ7为0.1 -0.Am，介质η3(和!!^傻度与八彳比值^ (和f〃)为0.3-0.7，介质1/3、113以及介质1/4、114之间的折射率差均不小于0.35，层4相对层5的水平移位Δ ' < f〃 Λ八2，层4和5的深度d3、d4为0.05-0.2μπι且cb+ck介于0.15-0.3μηι间^斤述的介质^/ 4'r/ 3，ru、n3的折射率分别为1.2-2.6,1.8—2.6和1.2-2.0。通过所述功能层2-3(和层4-5)内微结构的参数设计和匹配，可实现对可见光波段(0.4-0.7μπι)内任意波长及波段TM(和TE)模光的光谱进行滤波分别调控，使之反射光和/或透射光呈现特定的颜色、颜色变化和/或偏振特性;而通过所述功能层2-3和4-5之间的微结构参数匹配，可以实现对特定波长及波段TE和TM模光的光谱进行综合滤波调控，使之呈现与众不同的颜色、颜色变化和/或偏振特性。
[0009]上述技术方案中，优选地，所述的结构功能层5内介质r/4的宽度不大于所述结构功能层4的介质Π3的宽度。
[0010]上述技术方案中，优选地，所述的等离子金属Metal为铝(Al)、银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)及其合金。
[0011]上述技术方案中，所述的结构功能层5的上方可以进一步设置透明介质保护层6。
[0012]上述技术方案中，所述的结构功能层2的下方可以进一步设置介质基材7，包括透明基材、不透明基材及彩色基材。
[0013]上述技术方案中，所述的结构功能层5的上方可以进一步设置透明介质保护层6，同时在所述的结构功能层2的下方进一步设置介质基材7，包括透明基材、不透明基材及彩色介质基材。
[0014]上述技术方案中，所述的亚波长光栅结构呈色元件还包括将该呈色元件埋入到透明介质8中所形成的嵌入或埋入式亚波长光栅结构呈色元件。
[0015]上述技术方案中所述的保护层6、介质基材7和介质8，可选用二氧化硅、二氧化锆、二氧化钛、五氧化二钽、五氧化二锆、聚对苯二甲酸已二醇酯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚丙烯等以及其他透明树脂材料。
[0016]由于上述技术方案的运用，本发明与现有的呈色技术相比，具有下列特点:
[0017]1.本发明提供的结构呈色元件，含有超薄亚波长金属-介质光栅层，厚度仅为几十个纳米。当表面等离子激元被激励耦合共振时，该光栅层会使特定波长及波段的TM偏振入射光(振动方向与沟槽垂直)出现异常的透射极低特性。本发明的结构呈色元件即是利用这一特殊的光学行为，实现了对TM模光的可在整个可见光波段内进行调控的透射减色滤波功會K。
[0018]2.本发明提供的结构呈色元件，含有在光栅结构上相互匹配的两个亚波长介质光栅层，在特定条件下能够产生光栅共振效应，使特定波长及波段的TE偏振光产生特殊的光谱峰共振和峰分裂效应。本发明的结构呈色元件即是利用这一特殊的光学行为，实现了对TE模光的可在整个可见光波段进行调控的反射滤波功能。
[0019]3.本发明提供的结构呈色元件，具有四个相互关联的结构功能层。通过不同结构功能层内微结构的参数设计和匹配，能够实现特殊效果的结构色彩及其变色效果，包括色光加色呈色、色光减色呈色、TE和/或TM偏振呈色、结构色变色效应等。
[0020]4.本发明提供的结构呈色元件，其结构功能层2-3主要对入射的T