一种红外波段周期性微纳滤光片及其设计方法

本发明涉及微纳光学，尤其涉及一种红外波段周期性微纳滤光片及其设计方法。

背景技术：

1、在过去的几十年里，红外波段多光谱的应用被人们不断的发掘，促进了航空、航天、军事、民用等领域的不断发展，为了适配这些不同领域的应用，红外光谱成像设备的轻量化、小型化要求越来越高。然而，由于经典的fp滤波器和线性渐变滤光片等需要构建厚度和层数满足实际需求的反射腔体，同时可用于红外波段的谐振层材料少且昂贵，因此这种经典体制在红外系统的小型化、轻量化的方面受到了严重的限制，且成本还大幅提高了。

2、基于此，本领域技术人员亟需提供一种新的微纳滤光片的设计方法，以制造出能够使红外光谱成像设备更轻量化小型化的微纳滤光片。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种红外波段周期性微纳滤光片及其设计方法，本发明采用二维平面内周期性排布微纳结构的方法对入射光进行特殊调制，产生表面等离子体共振，引导电场局域增强，进而产生异常光学透射现象，进而实现使现有红外滤光片更小型化，轻量化的需求。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种红外波段周期性微纳滤光片，包括红外波段高透双抛光ge基底、金属微纳薄膜以及红外高透保护窗；

4、所述红外高透保护窗、所述金属微纳薄膜以及所述红外波段高透双抛光ge基底依次光路连接；

5、所述红外高透保护窗对入射光进行滤除预处理，得到满足初步能量透过率要求的红外光；并将所述红外光传输至所述金属微纳薄膜的入射端；所述金属微纳薄膜的出射端发出最终能量透过率要求的出射波；所述红外波段高透双抛光ge基底将所述出射波传导至红外探测器的像素靶面以供识别；其中，所述最终能量透过率要求高于所述初步能量透过率要求。

6、优选的，所述金属微纳薄膜上携带有多个通孔。

7、优选的，所述金属微纳薄膜接触到红外光后在所述金属微纳薄膜的表面激发出表面等离子体激元并以表面波形式在所述金属微纳薄膜表面传播，所述金属微纳薄膜的微纳结构接触到表面波以后在边界处激发出局域表面等离子体激元波，并使得所述微纳结构附近产生了局域电场，所述金属微纳薄膜的上下表面和所述金属微纳薄膜的微纳结构激发的局域表面等离子体在所述通孔中进行耦合，并以最终能量透过率在所述金属微纳薄膜的表面出射端出射。

8、一种设计红外波段周期性微纳滤光片的方法，包括以下步骤：

9、s1.搭建红外波段周期性微纳滤光片框架；

10、s2.将种子光源、成像目标、准直镜、所述框架、中继透镜以及红外探测器依次光路连接；

11、s3.利用所述红外探测器获取基本数据，利用所述基本数据计算每种中心波长对应的金属微纳薄膜的微纳结构的周期；

12、s4.以单一像素内中心坐标为起点，分别在x-y方向以l个周期为步长设置所述微纳结构，作为通道一所处位置，其余通道同理设置对应的所述微纳结构；

13、s5.对所述红外探测器的整个像素靶面进行k*k胞元划分，其中k*k个相邻像素为一个胞元，且每个胞元之间不相互重叠；

14、s6.使用改进的bayer滤光片阵列模型来实现k2通道的红外波段周期性微纳滤光片阵列设计，并依此对微纳结构阵列和像素之间实现一一对应；

15、s7.利用数值仿真软件中时域有限差分方法fdtd来对设计的k2种所述周期的所述微纳结构阵列进行模拟，验证所述微纳结构阵列的模拟中心波长与基于所述基本数据得到的初始计算值的一致性；

16、s8.利用x-y-z方向上固定步长的局域网格加密；

17、s9.利用完美匹配层pml对反射波进行吸收，得到最终优化后的红外波段周期性微纳滤光片。

18、优选的，利用所述基本数据计算每种中心波长对应的金属微纳薄膜的微纳结构的周期，具体包括：

19、利用通道数和基础数据中的所述中心波长反算得到所述框架的每种所述中心波长对应的所述微纳结构的所述周期p；

20、其中所述中心波长与所述周期的关系表达式为：

21、（1）

22、其中，i和j分别为微纳结构阵列的散射级次；为所述金属微纳薄膜的介电常数；为ge介质的介电常数；表示所述中心波长。

23、优选的，使用改进的bayer滤光片阵列模型来实现k2通道的红外波段周期性微纳滤光片阵列设计，并依此对所述微纳结构阵列和像素之间实现一一对应；具体包括：

24、参照bayer滤光片阵列排布方式设计排列，将所述bayer滤光片阵列中的rgb三色排布在了k*k阵列中，基于蓝色滤光片g部分在k*k阵列中出现了两次，并以对角形式排列，将所述蓝色滤光片g部分改进为第三通道，使得bayer滤光片阵列获得k2通道，同时单通道几何尺寸依照所述红外探测器的像元间距进行设计，取所述微纳结构阵列的几何中心和所述红外探测器的像素靶面几何中心，并重合，实现所述微纳结构阵列和像素之间一一对应。

25、优选的，还包括：将监视装置捕获到的能量透过率信息与基于所述基本数据得到的初始计算值进行比对，具体包括以下步骤：用monitor监视装置将时域有限差分方法fdtd计算得到的结果进行提取，在检测范围内设置采样点s个点，将两个边界也纳入仿真进行计算，主要提取的参数为能量透过率和特征峰中心位置，与基于所述基本数据得到的初始计算值进行对比，以验证设计合理性与准确性。

26、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明基于表面等离子体共振等概念，提出了一种红外波段周期性微纳滤光片的设计方法，其功能表现为一种带通多光谱滤光片。该设计方法采用二维平面内周期性排布微纳结构的方法对入射光进行特殊调制，产生表面等离子体共振，引导电场局域增强，进而产生异常光学透射现象。本发明的滤光片设计方法通带位置可由结构几何参数控制，具有易于加工、易于高密度集成、结构简单、体积小重量轻、材料简单的优点，在未来红外多光谱传感、成像、探测领域有着重要的前景。

技术特征：

1.一种红外波段周期性微纳滤光片，其特征在于，包括红外波段高透双抛光ge基底、金属微纳薄膜以及红外高透保护窗；

2.根据权利要求1所述的一种红外波段周期性微纳滤光片，其特征在于，所述金属微纳薄膜上携带有多个通孔。

3.根据权利要求2所述的一种红外波段周期性微纳滤光片，其特征在于，所述金属微纳薄膜接触到红外光后在所述金属微纳薄膜的表面激发出表面等离子体激元并以表面波形式在所述金属微纳薄膜表面传播，所述金属微纳薄膜的微纳结构接触到表面波以后在边界处激发出局域表面等离子体激元波，并使得所述微纳结构附近产生了局域电场，所述金属微纳薄膜的上下表面和所述金属微纳薄膜的微纳结构激发的局域表面等离子体在所述通孔中进行耦合，并以最终能量透过率在所述金属微纳薄膜的表面出射端出射。

4.一种设计红外波段周期性微纳滤光片的方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种设计红外波段周期性微纳滤光片的方法，其特征在于，利用所述基本数据计算每种中心波长对应的金属微纳薄膜的微纳结构的周期，具体包括：

6.根据权利要求4所述的一种设计红外波段周期性微纳滤光片的方法，其特征在于，使用改进的bayer滤光片阵列模型来实现k2通道的红外波段周期性微纳滤光片阵列设计，并依此对所述微纳结构阵列和像素之间实现一一对应；具体包括：

7.根据权利要求4所述的一种设计红外波段周期性微纳滤光片的方法，其特征在于，还包括：将监视装置捕获到的能量透过率信息与基于所述基本数据得到的初始计算值进行比对，具体包括以下步骤：用monitor监视装置将时域有限差分方法fdtd计算得到的结果进行提取，在检测范围内设置采样点s个点，将两个边界也纳入仿真进行计算，主要提取的参数为能量透过率和特征峰中心位置，与基于所述基本数据得到的初始计算值进行对比，以验证设计合理性与准确性。

技术总结
本发明属于微纳光学技术领域，本发明公开了一种红外波段周期性微纳滤光片及其设计方法，包括：所述红外高透保护窗、所述金属微纳薄膜以及所述红外波段高透双抛光Ge基底依次光路连接；所述红外高透保护窗对入射光进行滤除预处理，得到满足初步能量透过率要求的红外光；并将所述红外光传输至所述金属微纳薄膜的入射端；所述金属微纳薄膜的出射端发出最终能量透过率要求的出射波；所述红外波段高透双抛光Ge基底将所述出射波传导至红外探测器的像素靶面以供识别；其中，所述最终能量透过率要求高于所述初步能量透过率要求。本发明所保护的滤光片通带位置可由结构几何参数控制，具有易于加工、易于高密度集成、结构简单、体积小重量轻、材料简单的优点。

技术研发人员：董科研,宋延嵩,郝群,朴明旭,张博,王岩柏,梁宗林,刘忠夫
受保护的技术使用者：长春理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15