一种基于微纳光栅的多光谱红外滤光片阵列的制作方法

本发明属于微纳器件设计技术领域，具体涉及一种基于微纳光栅的多光谱红外滤光片阵列。

背景技术：

多光谱滤光片阵列是多光谱成像系统中的一个重要组成部分，随着微加工技术和焦平面阵列技术的发展，滤光片阵列的成像光谱方式近年来获得越来越多的关注，微滤光片阵列成像光谱方式不需要分光元件，结构紧凑、稳定性高、体积重量小，是成像光谱技术未来的发展方向，具有高品质、窄带宽的透射性微型滤光片阵列在多光谱成像中尤其具有重要作用。

对于微型多光谱滤光片阵列，基于Fabry-Perot谐振效应的腔式结构的多光谱薄膜型滤光片是其中最常用的，如IEMC公司已经制作了多个波段的多光谱滤光阵列。但是，基于F-P腔的薄膜型滤光片的可调谐波段范围和中心波长受限，主要受平行两层反射镜的有限带宽影响；而且其上下两层反射镜均是由多层薄膜构成，加工工艺复杂，性能不稳定(不同材料不同热膨胀系数)，大大降低光谱曲线的准确性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于微纳光栅的多光谱红外滤光片阵列，以解决薄膜型滤光片阵列中透射率低，带宽大，旁带值不好抑制的问题。

本发明采用以下技术方案，一种基于微纳光栅的多光谱红外滤光片阵列，包括多个呈马赛克形式排列的光栅滤光片，每个光栅滤光片的结构由上到下依次为二维金属光栅层和基底结构层，二维金属光栅层的材料为金，基底结构层的材料为熔融石英。

进一步地，每个光栅滤光片均通过调节光栅参数来获取所需的光谱曲线。

进一步地，光栅滤光片调节光栅参数的方法具体通过最优化目标函数min g(P,f,h,h1,Δε)＝F_ideal(λ_max,Δλ)-f(P,f,h,h1,Δε)实现，其中，F_ideal(λ_max,Δλ)为理想光谱曲线，f(P,f,h,h1,Δε)为不同光栅参数对应的光谱仿真曲线，P为光栅周期，0＜P＜λ，λ为入射光波长，f为占空比，0＜f＜1，h为基底结构层的厚度，h1为光栅槽深度，h1＞0，Δε为光栅调制系数，λ_max为中心波长位置，Δλ为带宽。

进一步地，光栅调制系数Δε通过公式得出，其中，n_g为二维金属光栅层的折射率，n_s为基底结构层的折射率。

进一步地，占空比f由f＝w/P得出，其中，w为光栅槽的宽度，P为光栅周期。

进一步地，光栅槽的深度h1取值范围为0.05-0.15μm，基底结构层的厚度h取值范围为0.4-0.7μm。

本发明的有益效果是：基于导模共振的光栅型滤光片结构简单，制作工艺简单，可达0.01nm的极窄带宽和极高的衍射效率，共振波长和带宽可控性，线形对称以及在很宽的波长范围内旁带值可以被抑制得很低，光栅多参数的可调性，其可调谐波段范围宽，光谱中心波长准确率高，利用共振效应在工作波长处获得高的透过率，并结合具有高反射性的多层膜系设计结构以达到对旁带的抑制的目的，可实现透过不同中心波长、不同带宽的光栅滤光片，为建立新型光谱成像体制奠定基础，为微小型手持光谱仪及空间高动态多光谱成像提供技术支撑。

【附图说明】

图1为本发明的基于微纳光栅的多光谱红外滤光片阵列结构示意图；

图2为图1中的A的放大图；

图3为实施例一中近红外2.0-2.5μm波段内光栅周期对中心波长以及带宽影响图；

图4为实施例一中近红外2.0-2.5μm波段内多光谱滤光片阵列的在固定带宽条件下的光谱曲线图；

图5为实施例二中近红外3.0-3.8μm波段内光栅多光谱滤光片阵列的不同光栅周期对透射光中心波长位置和带宽的影响图；

图6为实施例二中近红外3.0-3.8μm波段内多光谱滤光片阵列的固定带宽条件下的光谱曲线图。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

实施例一：

本发明公开了一种基于微纳光栅的多光谱红外滤光片阵列，如图1、图2所示，包括多个呈马赛克形式排列的光栅滤光片，图1中由于每个滤光片的参数不相同，所以每个滤光片表现的颜色深度不同，且能获取不同需求的光线，每个光栅滤光片的结构由上到下依次为二维金属光栅层和基底结构层，由于二维金属光栅的结构对称性，透射峰值波长与入射光的偏振方向无关，大大提高了吸光度检测过程中入射光的利用效率。

基于铝和金在近红外波段内的色散性质，二维金属光栅层的材料为金属金；因为熔融石英在近红外波段的高透射率和低折射率，所以基底结构层的材料选为熔融石英。

每个光栅滤光片均通过调节光栅参数来获取所需的光谱曲线，即每个光栅滤光片均通过多变量优化方式来获取其最佳参数，并获取所需光谱曲线。

光栅滤光片调节光栅参数的方法具体通过最优化目标函数min g(P,f,h,h1,Δε)＝F_ideal(λ_max,Δλ)-f(P,f,h,h1,Δε)，其中，F_ideal(λ_max,Δλ)为理想光谱曲线，f(P,f,h,h1,Δε)为不同光栅参数对应的光谱仿真曲线，P为光栅周期，0＜P＜λ，λ为入射光波长，f为占空比，且0＜f＜1,，h为基底结构层的厚度，h1为光栅槽深度，h1＞0，Δε为光栅调制系数，λ_max为中心波长位置，Δλ为带宽。

占空比f用来调节最大透射波长的半波带宽，且相对于其他可调谐滤光片来说，本申请的滤光片具有结构简单、旁瓣低、半波带宽可调、透过率高、与偏振无关等突出优点，相比于其他的多光谱成像方式，应用本发明的多光谱滤光片阵列，能够实现多光谱快照式成像以及多光谱成像器件的微小化。

光栅调制系数通过公式得出，其中n_g为光栅层的折射率，n_s为基底结构层的折射率。

占空比f由f＝w/P得出，其中，w为光栅槽的宽度，P为光栅周期。

光栅槽的深度h1取值范围为0.05-0.15μm，基底结构层的厚度h取值范围为0.4-0.7μm。

当入射光在近红外2.0-2.5μm波段内，入射角度为0度，可调节光栅参数：光栅周期P、占空比f、光栅槽深度h1、基底结构层厚度h及光栅调制系数Δε等，来实现在该波段内，不同中心波长、相同窄带宽的光谱曲线的获取。

当光栅周期性结构产生某一衍射波与导波所支持的某一泄漏模相位相匹配时，引起能量重新分布，产生衍射能量的突变。

当选择占空比f为0.82-0.91，h1＝0.05-0.12μm，h＝0.5-0.55μm时，通过多变量最优化目标函数min g(P,f,h,h1,Δε)＝F_ideal(λ_max,Δλ)-f(P,f,h,h1,Δε)，得出光栅周期参数对中心波长以及带宽的影响图，即图3。

由图2可知，本申请的光栅滤光片阵列可通过调节光栅周期来获取不同中心波长的光谱曲线，且光谱曲线具有窄带宽10-50nm，高透射率90％，低旁带透射小于0.01％等特点。

但是带宽随着周期的变化也在变化，因此，要想获取固定带宽的理想光谱曲线，必须同时调节光栅其他参数，如占空比f、光栅槽深度h1等，由多变量最优化目标函数可知，这些参数对带宽的影响不是单一的递增或者递减，而是相互制约的，如随着占空比f在一定范围内的减少，带宽变大，中心波长向左偏移，通过上述可设计近红外2.0-2.5μm光栅滤光片阵列的光谱曲线图，即图4。

实施例二：

近红外3.0-3.8μm波段内，当光栅周期P为2.1μm-3.0μm，光栅槽深h1为0.06μm-0.15μm，占空比f为0.8-0.92，基底结构层厚度h＝0.4-0.7μm，通过多变量最优化目标函数，可获取光栅周期P对透射率的影响，即对中心波长、带宽的影响，即图5所示。

由图5可知，光栅滤光片的光谱曲线具有窄带宽20-100nm，高透射率96％，低旁带透射小于0.01％等特点，几乎满足理想光谱曲线的要求，但是获取固定带宽的光谱曲线，需要调节其它参数，联合获取最优光谱曲线，如增大占空比f可以减少带宽宽度，却移动了中心波长且降低了中心波长透射率；减小光栅周期P可以增大中心波长的透射率但是中心波长向左移动。因此，通过多变量最优化目标函数，可以获取理想的不同波长中心的光谱曲线，即图6所示。