本发明涉及一种光学器件，特别是涉及一种长波通过型的滤光器。
背景技术：
滤光器(或称滤波器)可以使特定波长的光通过，其他波长的光反射，衰减或者吸收的光学元器件。滤光器在光学工程和光学仪器是必不可少的基本光学元器件。从结构和原理上讲，一般的滤光器分为片有色玻璃滤光片(包括染色塑料和胶片滤光片) 和介质膜滤光器；有色玻璃滤光片属于吸收型滤光器，介质膜滤光片属于干涉型滤光器。从功能上，滤光器可以分为陷波型，带通型，短波通型和长波通型。光通过有色玻璃(染色塑料或胶片)滤光片时候，相同颜色的光被玻璃吸收，其他颜色的光通过。而干涉型滤波器则是在光学窗口的表面沉积多层光学材料制备而成的，光在这些光学材料层之间干涉相消或相长达到滤波效果。通常情况下，有几个由间隔层隔开的介质膜堆，而介质膜堆由大量的高、低折射率交替的介质层组成。两个介质膜堆和中间的间隔层组成法布里-珀罗腔结构。通过调节法布里-珀罗腔结构就可以使特定波长的光干涉相消(即削弱透射增加反射光强度)或者干涉相长(即增加透射光强度)。让某特定波长附近的光不通过，其他波长的光通过的滤波器称作陷波型滤波器，反之，则称作带通滤波器。让某特定波长以上的光通过，而该波长以下的光不通过的滤波器称作长通型滤波器，反之，则称作短通型滤波器。滤光器(或称滤波器)在光学工程，光学分析仪器，光学探测器等方面都有广泛的应用，比如摄影，电器照明，红外光谱探测技，红外成像仪，拉曼光谱仪，激光器等等。
石墨烯是近些年新兴的一种碳材料，只有一个原子厚度，约0.3纳米。它具有极为优异的光学，电学和热学性质，并且具有非常高的机械强度，导电性比铜和银更高，同时具有非常好的导热性和热稳定性，其在可见和红外光波段透明度高达97.7％。因此，它在电子学，光学等领域具有非常巨大的应用前景。由于石墨烯的电子能带呈现特殊线性色散结构，所以它是一种零带隙的半导体或者半金属。石墨烯是透明柔性材料，但是它在很宽的光谱范围仍然具有恒定的吸光率(≈2.3％)。通过调节石墨烯的费米能级位置可以调节某光谱范围的吸光率(或者透射率)。一般的方法是把石墨烯作为场效应晶体管器件(Field effect transistor，FET)的沟道材料，通过改变栅极电压(顶栅或者背栅结构)，进而改变石墨烯内载流子浓度(电子或空穴)，而载流子浓度的改变就对应着费米能级的上下移动。当入射光子的能量小于费米能级改变量的一半的时候，价带没有能被激发的电子，光就不被吸收，反之则被吸收。当大于入射光子的能量一半以上的导带处能级被电子占据时，由于泡利不相容原理，入射光子无法激发相应能量的电子或者空穴从而导致该光子不能被吸收，反之，则能被吸收。也就是说，波长较长(能量较小)的光子会通过调节费米能级而不被吸收，波长较短(能量较大) 的光子则被吸收。总而言之，通过改变石墨烯场效应晶体管结构中的栅压可以调节石墨烯的透光率。
离子液体电压调控技术是一种有效调节二维沟道材料的载流子浓度和电场强度的技术，在电子和电化学器件中用途广泛。离子液体是完全由离子(通常为含氮有机阳离子和无机阴离子)组成的高度极化且具有低熔点的二元盐类。离子液体具有热与化学稳定性高、非易失性，无毒，不易挥发，常温呈现液态和透明等特点。离子液体在其电化学窗口内不会发生氧化还原反应，并且由于其在电场作用下会形成非常薄(约几个纳米)的双电层结构，所以非常适合作为场效应晶体管的介质层和栅极材料。离子液体可以通过混合聚环氧乙烷(PEO)，三嵌段聚合物[PS-PMMA-PS]或者三嵌段聚合物[PS-PEO-PS]中的一种或多种制成的离子凝胶。离子凝胶呈凝胶状态，不易流动，属于离子液体的另一种形式，也非常适合制作栅极材料。离子液体的相对介电常数大概在1-10之间,而其介电层的厚度大约是几个纳米,电容约10μF/cm2(比300nm厚二氧化硅介质层的电容大三个量级)，因此调控低维材料的载流子浓度最高可达到1015cm-2 (比二氧化硅介质层调控的载流子浓度大两个数量级)。而且，离子液体只需要几伏特的电压就可以调控材料的载流子浓度，而二氧化硅介电层需要几十上百伏特电压。因此，离子液体作为电光器件电极材料具有高效，低损耗等优点。
那么，利用离子液体电压调控技术就可以通过改变石墨烯的透光率制作成一种可调节波长范围的长波通型的滤光器。目前的各种滤光器均是有机玻璃染色或者光学衬底上镀介质膜制作而成，产品成型之后其滤光的波长范围是无法调节的，只能通过使用不同滤光范围的滤波片组合使用进而达到使用目的。同时，有机玻璃染色和介质层镀膜工艺是非常精细，耗费和昂贵的技术。那么就急需要一种滤光波长范围可调节，造价低廉的滤波器来满足实际需求。因此，本发明专利设计了这种基于石墨烯的可调节波长范围的长波通过型的滤光器。
技术实现要素：
本发明专利目的是提供一种基于石墨烯的可调节波长范围的长波通过型的滤光器。
一种基于石墨烯的滤光器，所述滤光器包括一个或多个滤光器单元，所述滤光器单元包括沿层叠方向依次层叠的第二光学窗口、石墨烯层、金属电极层、离子液体层和第一光学窗口。
一种制备基于石墨烯的可调节长波通型滤光器单元的方法，所述滤光器包括一个或多个滤光器单元，所述滤光器单元包括沿层叠方向依次层叠的第二光学窗口、石墨烯层、金属电极层、离子液体层和第一光学窗口，其中，所述金属电极层包括第一金属电极和第二金属电极，所述的方法包括如下步骤：
1)在所述的第二光学窗口上表面覆盖石墨烯层；
2)在所得的石墨烯层上制作第一金属电极以及引线；
3)在所述光学窗口表面制作制作第二金属电极以及引线；
4)在所述的石墨烯层和金属电极层表面覆盖离子液体层；
5)将第一光学窗口覆盖在离子液体层上；
6)将所述的第一金属电极接地，并与第二金属电极分别连接至电压源两极，得到所述基于石墨烯的可调节长波通型滤光器单元。
本发明提供的基于石墨烯的滤光器，通过以下技术方案实现：
1)在一个光学窗口表面转移或者生长单层或者多层石墨烯。
2)在步骤1)所述的石墨烯和光学窗口1上制作金属电极以及引线。
3)在步骤1)所述的石墨烯和光学窗口1上覆盖离子液体，使离子液体与金属电极1接触。
4)在步骤3)所述的离子液体上覆盖另外一层光学窗口2。
5)将步骤2)所述的金属电极通过引线连接至电压源，得到所述的一种基于石墨烯的可调节长波通型滤光器单元。
6)将多个步骤5)所述的滤光器单元串联使用，得到所述的一种基于石墨烯的可调节长波通型滤光器。
7)通过调节电压可改变石墨烯的费米能级进而调节某特定波长范围的光透过率，即调节滤光器截止波长的位置，大于滤光器截止波长的光将通过滤光器从另一侧出射，小于截止波长的光不通过，最终实现可调节的长波通过型滤光器。
本发明实现一种基于石墨烯的可调节长波通型滤光器，具有功耗小，截止波长范围可调节等特点，可广泛应用于光学工程、光学仪器等领域。
附图说明
图1为本发明所述滤光器第一实施例的结构示意图俯视图；
图2为本发明所述滤光器第一实施例的结构示意图正视图
图3为本发明所述滤光器第一实施例的分层结构示意图；
图4为本发明所述滤光器第二实施例的结构示意图；
图5为本发明所述滤光器第三实施例的结构示意图；
图6为本发明所述滤光器第四实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。
图1所示为本发明所述的滤光器单元第一实施例的结构示意俯视图俯视图，图2 为本发明所述滤光器单元第一实施例的结构示意图正视图，图3是本发明所示滤光器单元第一实施例的分层结构示意图。首先，在一个圆形光学窗口1表面覆盖石墨烯，并且在石墨烯表面镀有半圆环状金属电极1，在光学窗口表面无石墨烯的区域镀有金属电极2。再在石墨烯和金属电极2表面覆盖离子液体，最后用圆形光学窗口2覆盖在最上面一层。从金属电极1和金属电极2连接至电压源。
如图1－3所示，滤光器第一实施例仅包括一个滤光器单元。所述单元包括上下分开设置的第一光学窗口1和第二光学窗口2，第一光学窗口1和第二光学窗口2的厚度一般为0.5毫米到10毫米，其尺寸大小可以根据所设计的滤光器的大小而改变。在图1－3示出的第一光学窗口1和第二光学窗口2为圆形的一层膜。在第一光学窗口 2和第二光学窗口1之间依次设置有石墨烯层、金属电极层、离子液体。其中，离子液体也可以用离子溶胶或者凝胶代替，金属电极层包括第一金属电极1和第二金属电极2。石墨烯层通常为1-10个石墨烯单层，其厚度通常为0.3纳米到3纳米，金属电极层的厚度通常为0.5纳米到1毫米，离子液体的厚度通常为1纳米到1毫米。第二光学窗口2包括第一部分和第二部分，石墨烯层只覆盖第二光学窗口2的第一部分，即第二光学窗口2的第二部分未覆盖石墨烯层。例如，可以将第二光学窗口2的优弧弓作为第一部分，将第二光学窗口2的劣弧弓作为第二部分，在第一部分上覆盖石墨烯层而在第二部分上不覆盖石墨烯层。在第一部分对应的石墨烯层上设置有第一金属电极1，在第二部分上设置有第二金属电极2，第一金属电极1与第二金属电极2电性不导通。第一金属电极1可以采用圆环的方式沿着石墨烯的外围周向设置，第二金属电极2可以采用与第二部分相似的劣弧弓的形式设置，并且第一金属电极1与石墨烯层相接触，而第二金属电极2与石墨烯层不接触。在金属电极层与第一光学窗口之间形成一空腔，在金属电极层上设置离子液体，离子液体充满上述空腔。在上述单元周向还设置有外壳(未图示)，所述外壳可以使得离子液体能够保持在所述单元中，并且外壳应使光学窗口最大限度地不被遮挡从而使得过渡前的光和过滤后的光不被外壳挡住。使用时，在第一金属电极1和第二金属电极2之间加上电压则可以调节滤光器截止波长的位置。
滤光器第二实施例包括多个滤光器单元并将多个滤光器单元串联而成，如图4所示。每个滤光器单元均包括完整的结构，即包括依次层叠的第二光学窗口2、石墨烯层、金属电极层、离子液体层和第一光学窗口2。将多个滤光器单元在竖直方向上层叠，其中每个滤光器单元的第一金属电极1、石墨烯层在层叠方向上位于相同的位置，每个滤光器单元的第二金属电极2在层叠方向上同样位于相同的位置。多个滤光器单元的第一金属电极1均电连接，多个滤光器单元的第二金属电极2均电连接。
滤光器第三实施例包括多个滤光器单元并将多个滤光器单元串联而成，如图5所示。将多个滤光器单元在竖直方向上层叠，相邻两个滤光器单元共用光学窗口，即相邻的层叠方向上处于上面的滤光器单元的第二光学窗口2和处于下面的滤光器单元的第一光学窗口1实际上为同一个光学窗口。每个滤光器单元的第一金属电极1、石墨烯层在层叠方向上位于相同的位置，每个滤光器单元的第二金属电极2在层叠方向上同样位于相同的位置。多个滤光器单元的第一金属电极1均电连接，多个滤光器单元的第二金属电极2均电连接。
滤光器第四实施例包括多个滤光器单元并将多个滤光器单元串联而成，如图6所示。将多个滤光器单元在竖直方向上层叠，相邻两个滤光器单元共用光学窗口，即相邻的层叠方向上处于上面的滤光器单元的第二光学窗口2和处于下面的滤光器单元的第一光学窗口1实际上为同一个光学窗口。在第一光学窗口1和离子液体层之间沿层叠方向还依次设置有第二金属电极层和第二石墨烯层。每个滤光器单元的第一金属电极1、石墨烯层在层叠方向上位于相同的位置，每个滤光器单元的第二金属电极2在层叠方向上同样位于相同的位置。多个滤光器单元的第一金属电极1均电连接，多个滤光器单元的第二金属电极2均电连接。
光从所述滤光器一侧入射经过石墨烯，大于滤光器截止波长的光将通过滤光器从另一侧出射，小于截止波长的光不通过。通过改变输入电压值的大小，可以调节滤光器截止波长的位置。
光学窗口主要作用是承载石墨烯。因此，光学窗口形状没有固定要求，可以是圆形，长方形，三角形，不规则图形等形状。
光学窗口的材质是常见商用光学窗口，比如，锗、硅、石英、熔融石英(SiO2)、α-BBO(α-偏硼酸钡)、氟化钡(BaF2)、氟化钙(CaF2)、硒化锌(ZnSe)、F2(火石玻璃)、方解石(碳酸钙或者冰洲石)、氟化镁(MgF2)、N-BK7玻璃(硼硅酸盐冕玻璃)、K9玻璃(冕玻璃)、N-SF11玻璃(重火石玻璃)、金红石(TiO2)、蓝宝石(Al2O3)、聚四氟乙烯(PTFE，特氟龙)、钒酸钇(YVO4)等材料。
在光学窗口表面覆盖石墨烯薄膜的方法可以是机械剥离方法，溶液涂覆法，化学气相沉积法，分子束外延生长法，物理范德华力外延生长发等方法。
金属电极1和金属电极2主要起导电作用，因此对于具体材料没有固定要求。可以是金属或合金材料，可以为Au，也可以是例如Pt、Cr、Pb、Ti、Ag、Cu、Al、Fe、 Sn、Pb或Cr/Au双层膜(即先镀一层Cr，再镀一层Au，下述双层膜类似)、Ti/Au、 Pt/Au、Pb/Au双层膜，或者导电银胶等导电材料。
金属电极1主要作用是电学导通石墨烯，而金属电极2主要作用是接触离子液体并且不导通石墨烯，因此金属电极1和金属电极2对于具体的电极形状没有固定要求。可以是圆环状，长方形，三角形，不规则图形等形状。因此，金属电极2可以直接覆盖在光学窗口2上无石墨烯部分，也可以覆盖在光学窗口2表面的部分石墨烯，但该部分石墨烯不与第一部分石墨烯和金属电极1电学连通。
以下对上述滤光器的制备方法作进一步的说明。
方法1.
制备基于石墨烯的可调节长波通型滤光器的方法包括如下步骤：
1)用化学气相沉积法在熔融石英表面生长1～10层的石墨烯。
2)在步骤1)所述的石墨烯表面和石英基底表面镀金属Au电极1和金属Au电极2以及引线；同时要求金属Au电极1和金属Au电极2电学不导通。
3)在步骤1)所述石墨烯和步骤2)所述的金属Au电极2的表面覆盖离子液体(双 (N,N-二乙基-N-甲基-N-(2-甲氧乙基)铵双(三氟甲磺酰基)酰亚胺根盐溶液,简写 [DEME][TFSI])。
4)用熔融石英盖在步骤3)所述的离子液体表面，形成两块熔融石英片夹在石墨烯，金属电极和离子液体的结构的两侧的结构。
5)将步骤2)所述金属Au电极1接地，并将两个金属Au电极连接至电压源，得到所述基于石墨烯的可调节长波通型滤光器单元，如图1、图2和图3所示。
6)最后将多个步骤5)所述滤光器单元串联构成滤光器，如图4所示。
7)光从步骤6)所述滤光器一侧入射经过石墨烯，大于滤光器截止波长的光将通过滤光器从另一侧出射，小于截止波长的光不通过。通过电压源输入的电压大小，可以调节滤光器截止波长的位置。该滤波器可应用于光路中，过滤掉不需要的短波长光波，透过需要的长波长光波。
方法2.
制备基于石墨烯的可调节长波通型滤光器的方法包括如下步骤：
1)用溶液涂覆法在熔融石英表面涂覆1～10层的石墨烯。
2)在步骤1)所述的石墨烯表面和石英基底表面制作金属Au电极1和金属Au 电极2以及引线；同时要求金属Ag电极1和金属Ag电极2电学不导通。
3)在步骤1)所述石墨烯和步骤2)所述的金属Ag电极2的表面覆盖离子液体凝胶(六氟磷酸1-丁基-2,3-二甲基咪唑盐溶液(简写[BMMIM][TFSI])与聚环氧乙烷 (PEO)混合反应制成的离子液体溶胶或凝胶)，这样制成所述滤波器的不完整型结构单元。
4)按照步骤1)2)和3)所述方法制作多个步骤3)所述的不完整型结构单元。
5)将步骤4)所述的多个不完整结构单元的所有金属Au电极1电联通，所有金属Au电极2电联通，并连接至电压源，得到所述基于石墨烯的可调节长波通型滤光器，如图5所示。
6)光从步骤5)所述滤光器一侧入射经过石墨烯，大于滤光器截止波长的光将通过滤光器从另一侧出射，小于截止波长的光不通过。通过电压源输入的电压大小，可以调节滤光器截止波长的位置。该滤波器可应用于光路中，过滤掉不需要的短波长光波，透过需要的长波长光波。
方法3.
制备基于石墨烯的可调节长波通型滤光器的方法包括如下步骤：
1)用机械剥离方法得到1～10层的石墨烯薄膜并转移到熔融石英上下表面。
2)在步骤1)所述的石墨烯表面和石英基底上下表面镀金属Au电极1和金属Au 电极2以及引线；同时要求金属Au电极1和金属Au电极2电学不导通。如图3和图 6所示。
3)在步骤1)所述石墨烯和步骤2)所述的金属Au电极2的表面覆盖离子液体凝胶(六氟磷酸1-丁基-2,3-二甲基咪唑盐溶液(简写[BMMIM][TFSI])与聚环氧乙烷 (PEO)混合反应制成的离子液体凝胶)，这样制成所述滤波器的不完整型结构单元。
4)按照步骤1)2)和3)所述方法制作多个步骤3)所述的不完整型结构单元。
5)将步骤4)所述的多个不完整结构单元的所有金属Au电极1电联通，所有金属Au电极2电联通，并连接至电压源，得到所述基于石墨烯的可调节长波通型滤光器，如图6所示。
6)光从步骤5)所述滤光器一侧入射经过石墨烯，大于滤光器截止波长的光将通过滤光器从另一侧出射，小于截止波长的光不通过。通过电压源输入的电压大小，可以调节滤光器截止波长的位置。该滤波器可应用于光路中，过滤掉不需要的短波长光波，透过需要的长波长光波。
需要说明的是，虽然实施例对制备基于石墨烯的可调节长波通型滤光器单元的方法作了示范性的说明，但是其中电极为金属、多层金属或合金材料，可以为Au，也可以是例如Pt、Ag、Cu、Al、Fe或Cr/Au双层膜(即先镀一层Cr，再镀一层Au，下述双层膜类似)、Ti/Au、Pt/Au、Pb/Au双层膜，或者导电银胶。优选的是，电极的材料是Au、Ag、Cu、Al、Fe、Gr、Ti、Pb、Sn、Cr/Au，Ti/Au，Pt/Au或Pb/Au及其合金，或者导电银漆。
其中光学窗口可以是锗、硅、石英、熔融石英(SiO2)、α-BBO(α-偏硼酸钡)、氟化钡(BaF2)、氟化钙(CaF2)、硒化锌(ZnSe)、F2(火石玻璃)、方解石(碳酸钙或者冰洲石)、氟化镁(MgF2)、N-BK7玻璃(硼硅酸盐冕玻璃)、K9玻璃(冕玻璃)、N-SF11玻璃(重火石玻璃)、金红石(TiO2)、蓝宝石(Al2O3)、聚四氟乙烯(PTFE，特氟龙)、钒酸钇(YVO4)等一种或者多种。
所用离子液体的形式是多种的。可以是下面的一种或几种：磷酸缓冲盐溶液(简写PBS，主要成分是Na2HPO4、KH2PO4、NaCl和KCl)；二(三氟甲基磺酰)锂(Li-TFSI)；高氯酸钾(KClO4)；高氯酸锂(LiClO4)；
可以是由以下阴、阳离子组合成的离子液体，阳离子或阴离子是以下一种或多种：
阳离子(简写-英文名称-中文名称)：
AAIM 1,3-diallylimidazolium 1,3-二烯丙基咪唑阳离子
AEIM 1-allyl-3-ethylimidazolium 1-烯丙基-3-乙基咪唑阳离子
BMIM 1-butyl-3-methylimidazolium 1-丁基-3-甲基咪唑阳离子
BMMIM 1-butyl-2,3-dimethylimidazolium 1-丁基-2,3-二甲基咪唑阳离子
DEME N,N-diethyl-N-methyl(2-methoxyethyl)ammonium N,N-二乙基-N-甲基
-N-(2-甲氧乙基)铵基阳离子
EMIM 1-ethyl-3-methylimidazolium 1-乙基-3-甲基咪唑阳离子
EMMIM 1-ethyl-2,3-dimethylimidazolium 1-乙基-2,3-二甲基咪唑阳离子
HMIM 1-hexyl-3-methylimidazolium 1-己基-3-甲基咪唑阳离子
OMIM 1-octyl-3-methylimidazolium 1-辛基-3-甲基咪唑阳离子
PP13(MPPR) N-methyl-N-propylpiperidinium N-甲基-N-丙基哌啶烷阳离子
P13 N-methyl-N-propylpyrrolidinium N-甲基-N-丙基吡咯烷阳离子
P14 N-butyl-N-methylpyrrolidinium 1-丁基-1-甲基吡咯烷阳离子
TMPA(TPA)N,N,N-trimethyl-N-propylammonium N,N,N-三甲基-N-丙基铵盐阳离子
阴离子(简写-英文名称-中文名称)：
BETI bis(pentafluoroethanesulfonyl)imide 双(五氟乙磺酰基)酰亚胺根
BF4 tetrafluoroborate 四氟硼酸根
DCA dicyanamide 二氰胺根
FAP tris(pentafluoroethyl)trifluorophosphate 三(五氟乙烷基)三氟磷酸根
FSI bis(fluorosulfonyl)imide 双(氟磺酰基)酰亚胺根
OctOSO3 n-octylsulfate n-辛基硫酸根
OTf trifluoromethanesulfonate 三氟甲磺酸根
PF6 hexafluorophosphate 六氟磷酸根
TCB tetracyanoborate 四氰硼酸根
TFSI bis(trifluoromethylsulfonyl)imide 双(三氟甲磺酰基)酰亚胺根。
所述离子液体还可以是混合以下聚合物溶剂制成的离子液体凝胶：聚环氧乙烷 (Poly(ethylene oxide)，简称PEO)，三嵌段聚合物[PS-PMMA-PS]，三嵌段聚合物 [PS-PEO-PS](其中P表示聚合物，S表示苯乙烯，PMMA为聚甲基丙烯酸甲酯，PEO 为聚环氧乙烷)。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化和替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。