一种红外滤光片

1.本发明涉及光学元件技术领域，更具体地，涉及一种红外滤光片。


背景技术：

2.目前，基于多光束薄膜干涉原理的传统红外窄带滤光片具有多达几十层甚至上百的膜层数，且受限于红外膜层材料的选择，易于出现因应力不匹配导致膜层脱落、不耐高温和受潮等问题。亚波长结构光学元件使用一到两层薄膜材料或直接利用衬底本身材料通过表面微纳结构实现光学薄膜元件的功能，如实现减反、带宽滤波和偏振等功能，成为光学元件的新方向。其中基于金属微米/纳米孔洞的光学滤波器，自ebbesen于1998年发现金属纳米孔洞的异常光学透射现象以来成为光学元件的一个重点发展方向。针对单纯金属纳米孔洞阵列的光学透射率不高和带宽不够窄等问题，一些复合结构被提出。如专利cn110007386a公开了一种由包括基底和相互杂化嵌套在基底上的第一光栅和第二光栅组成的等离激元复合光栅结构，但是实现的光学透射率最高只有50％；专利cn114651199a公开了一种交替地具有低折射率层和高折射率层的多层结构、面向多层结构的低折射率层的周期性结构层，在近红外波段实现的透射率达到80％。文献(bilge can yildiz，et.al.,loss compensated extraordinary transmission in hybridized plasmonic nanocavities,j.opt.2020,22:065001)报道在金属孔洞中间插入金属纳米岛有助于增强透射率，减小带宽。但是总的说来，现有的技术难以做到像基于微纳结构实现完美吸收器那样实现金属微纳孔洞结构的完美透射器，且透射带宽仍然不够窄。
3.由此，亟需一种新的技术方案以解决上述技术问题。


技术实现要素：

4.在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
5.第一方面，本发明提出一种红外滤光片，包括：
6.导电薄膜孔洞阵列；
7.导电凸点阵列，其中，导电凸点阵列中的导电凸点设置在导电薄膜表面，导电凸点分布在非边缘孔洞四周。
8.可选地，导电薄膜孔洞阵列与导电凸点阵列均以周期阵列排布方式进行排布。
9.可选地，导电薄膜孔洞阵列与导电凸点阵列的排布周期相同。
10.可选地，排布周期的取值范围为0.5-20微米。
11.可选地，非边缘孔洞四周等距分布多个导电凸点。
12.可选地，导电凸点与导电薄膜为同一种材料。
13.可选地，材料是金属材料、导电化合物和高掺杂半导体材料中的一种。
14.可选地，导电凸点的形状与导电薄膜孔洞的形状对应设置。
15.可选地，导电薄膜孔洞阵列与导电凸点阵列形成耦合阵列，其中，在耦合阵列的形状发生变化时，分布在非边缘孔洞四周的导电凸点的数量随之发生变化。
16.可选地，红外滤光片的透射率与耦合阵列的结构参数有关，其中，结构参数包括导电凸点的横截面尺寸、导电凸点的高度、孔洞所在的导电薄膜的厚度。
17.根据上述技术方案，在光学衬底上设置包括导电薄膜孔洞阵列和导电凸点阵列的混合结构阵列，通过导电薄膜孔洞阵列和导电凸点阵列激发的模式耦合，从而透射特定波长的红外光波，实现了具有接近100％的高透射率和窄带宽的红外滤光片。同时，由于导电薄膜孔洞阵列和导电凸点阵列的混合结构阵列的滤光片借助导电凸点阵列激发等离子体的窄谱特性，通过导电凸点阵列与导电薄膜孔洞阵列的耦合，有效降低了导电薄膜孔洞阵列透射光的带宽，进而有效提升了波长选择的广泛性。
18.本发明的红外滤光片，本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
19.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本说明书的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
20.图1示出了根据本发明一个实施例的红外滤光片的局部示意图；
21.图2示出了根据本发明一个实施例的红外滤光片的局部剖面示意图；
22.图3示出了根据本发明一个实施例的透射光谱的示意图；
23.图4示出了根据本发明另一个实施例的红外滤光片的局部剖面示意图；以及
24.图5示出了根据本发明一个实施例的改变周期参数时的透射中心波长的变化情况示意图。
具体实施方式
25.本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
26.根据本发明的第一方面，本发明提出一种红外滤光片。图1示出了根据本发明一个实施例的红外滤光片100的局部示意图。
27.如图1所示，红外滤光片100可以包括导电薄膜孔洞阵列u1和导电凸点阵列u2。在图1所示的实施例中，导电薄膜孔洞阵列u1中包括4个孔洞120，导电凸点阵列u2中包括4个导电凸点110。其中，导电凸点阵列中的导电凸点设置在导电薄膜表面，导电凸点分布在非
边缘孔洞四周。可以理解，图1示出的是红外滤光片的局部示意图，其中孔洞可能布置在滤光片的边缘，而对于边缘的孔洞而言，其仅在另外两面或三面布置有导电凸点。除了边缘的孔洞，每个孔洞四周均分布有导电凸点。导电薄膜孔洞阵列u1与导电凸点阵列u2均设置在光学衬底例如硅衬底上。导电薄膜孔洞阵列u1和导电凸点阵列u2可以组成为混合结构阵列u12。孔洞120所在的金属薄膜为130，可选地，孔洞120所在的金属薄膜130与导电凸点110所用的金属可以一样，也可以不一样。孔洞的形状可以是圆形、方形、三角形、椭圆形或十字形等任意形状中的一种。对应地，导电凸点的横截面的形状也可以是圆形、方形、三角形、椭圆形或十字形等形状中的一种。在一个具体实施例中，导电凸点的形状与导电薄膜孔洞的形状对应设置。例如，在孔洞的形状是圆形时，对应地，导电凸点为圆柱；在孔洞的形状是方形时，导电凸点为方柱。图2示出了根据本发明一个实施例的红外滤光片100的局部剖面示意图。在图2所示实施例中，孔洞120为圆形，导电凸点110为圆柱。其中140为前述光学衬底。为了便于描述和理解，在下文以孔洞120为圆形，导电凸点110为圆柱为例进行展开，但并不意味着对孔洞形状和导电凸点形状的限制。
28.示例性地，可以采用时域有限差分方法(fdtd)分别仿真衬底上含有的导电薄膜孔洞阵列u1、导电凸点阵列u2以及混合结构阵列u12的透射光谱。图3示出了根据本发明一个实施例的透射光谱的示意图。在图3所示实施例中，导电薄膜孔洞阵列u1与导电凸点阵列均u2以周期阵列排布方式进行排布。进一步地，导电薄膜孔洞阵列与导电凸点阵列的排布周期相同，均为p＝4.92微米。可选地，排布周期的取值范围可以为0.5-20微米之间的任意数值，上述取值仅仅是示例性的，并不意味着对排布周期的限定。在图3所示实施例中，孔洞120的直径和导电凸点圆柱的直径均为d＝1.76微米，孔洞的深度和导电凸点的高度均为h＝0.26微米。参见图3不难看出，单独的导电薄膜孔洞阵列结构在波长3.5微米处具有最大的红外光异常透射，但是该波长处的透射率仅为47.4％，其余还有多个小透射峰。而单独的导电凸点阵列的透射谱显示由于金属薄膜的存在，使得红外透射率几乎为零，但是从图3中放大的子图中可以看出在3.5微米波长处呈现尖锐的透射小峰，实际对应激发等离极化激元谐振产生的吸收峰，这可以通过反射谱得到确认。而对于混合结构阵列u12而言，从图3中可以看出除了3.5微米波长，还在6.1微米、8.5微米以及12.3微米附近存在额外三个异常透射峰，由此可以表明这四个透射峰的电磁波由于表面等离极化激元产生了异常透射现象，实现了透射率增强。其中，波长为3.5微米附近的电磁波透射率增强效果最为明显，而其他三个波长附近的电磁波透射率增强效果较弱。导致这种现象的主要原因是波长为3.5微米的电磁波在具有上述结构参数条件的导电薄膜孔洞阵列和导电凸点阵列的作用下能够高效的转化为表面等离极化激元谐振波，并且通过孔洞结构耦合到金属下表面，实现透射电磁波的有效增强。具体地，发生谐振的透射波波长可以通过以下公式计算得出：其中，λ
max
表示发生谐振的透射波波长，εm表示导电薄膜的介电常数，εd表示光学衬底的介电常数，p表示排列周期，i和j为电磁波模式阶次，由此可以计算出仅包含孔洞阵列结构时的透射波波长。
29.对于单独导电凸点阵列而言，由于孔洞的深度即导电薄膜的厚度h＝0.26微米，比趋肤深度大许多，导致红外光基本上无法透射导电金属薄膜。但由于薄膜表面存在周期排列的导电凸点，可以将这些凸点看作光栅结构，则可以在空气和导电凸点表面的界面激发
特定波长的表面等离极化激元模式。该模式可以将电磁波传递至孔洞附近与孔洞激发的表面等离极化激元模式发生耦合，产生如图3中u12所表示的高透射率窄带的异常透射现象。
30.根据上述技术方案，在光学衬底上设置包括导电薄膜孔洞阵列u1和导电凸点阵列u2的混合结构阵列u12，通过导电薄膜孔洞阵列和导电凸点阵列激发的模式耦合，从而透射特定波长的红外光波，实现了具有接近100％的高透射率和窄带宽的红外滤光片。同时，由于导电薄膜孔洞阵列和导电凸点阵列的混合结构阵列的滤光片借助导电凸点阵列激发等离子体的窄谱特性，通过导电凸点阵列与导电薄膜孔洞阵列的耦合，有效降低了导电薄膜孔洞阵列透射光的带宽，进而有效提升了波长选择的广泛性。
31.可选地，非边缘孔洞四周等距分布多个导电凸点。需要说明的是，这里所提及的多个可以为3、4、5或6等任意合理数值。具体地，导电凸点可以按照预设距离等距分布在非边缘孔洞的四周。如前所述，对于边缘孔洞，导电凸点也可以按照预设距离等距分布在边缘孔洞的两面或三面。可以理解，预设距离可以根据经验或多次试验进行任意合理设置，在此不做具体限定。
32.由此，多个导电凸点等距分布在非边缘孔洞四周可以有效保证导电凸点阵列与导电薄膜孔洞阵列二者之间的耦合程度，为增强红外光的透射率提供了可靠保障。
33.可选地，导电凸点与导电薄膜为同一种材料。可以理解，导电凸点与导电薄膜可以为同一种导电材料，在此情况下，二者的介电常数相等，在仿真过程中，简化了后续发生谐振的透射波波长的计算，此外，通过控制变量法有效保证导电凸点阵列与导电薄膜孔洞阵列的耦合效果，进而有效提升红外滤光片的透射率。
34.可选地，材料是金属材料、导电化合物和高掺杂半导体材料中的一种。示例性地，导电薄膜和导电凸点所用的材料可以是金属材料例如au、ag、al、cu、cr等。替代地，所用的材料还可以是导电化合物例如ito、zno等。又或者，所用的材料还可以是高掺杂半导体材料例如高掺杂硅、锗等，其中，载流子浓度大于10
19
cm
―3
。
35.由此，上述材料简单易得，且成本较低。
36.可选地，导电薄膜孔洞阵列与导电凸点阵列形成耦合阵列，其中，在耦合阵列的形状发生变化时，分布在非边缘孔洞四周的导电凸点的数量随之发生变化。可以理解，这里所说的耦合阵列即为前文所述的混合结构阵列。再次参见图1不难看出，在图1所示的实施例中，混合结构阵列为方形排布阵列，可替代地，还可以按照六角型等形状形成混合结构阵列。进一步地，在混合结构阵列的形状发生变化的同时，在每个孔洞周围分布的导电凸点的数目也可以随之发生变化，具体变化在此不做具体限定。
37.由此，可以根据需求或仿真的透射率效果等任意定制红外滤光片中的导电凸点阵列的排布，具有更多的波长选择性。
38.可选地，红外滤光片的透射率与耦合阵列的结构参数有关，其中，结构参数包括导电凸点的横截面尺寸、导电凸点的高度、孔洞所在的导电薄膜的厚度。图4示出了根据本发明另一个实施例的红外滤光片的局部剖面示意图。如图4所示，其中示出了耦合阵列的结构参数。具体地，h1表示孔洞所在的导电薄膜的厚度，即是孔洞的深度。h2表示导电凸点的高度。在一个优选实施例中，h1与h2相等。r表示导电凸点的半径，d表示孔洞的直径。在一个优选实施例中，d＝2r。通过上述仿真研究可以确定，耦合阵列的结构参数对红外滤光片的透射率的影响较大，而对中心波长的影响较小。相反地，排列周期p对中心波长的影响较大。图
5示出了根据本发明一个实施例的改变周期参数时的透射中心波长的变化情况示意图。如图5所示，随着周期的增大，红外滤光片能够异常透射的红外光的中心波长也在逐渐增大。为了获得尽可能高的峰值透射率，调整排列周期，可以达到匹配不同中心波长光波的效果。而排列周期参数对应着不同的结构参数。进一步地，可以确定在每个不同的周期下，导电薄膜孔洞阵列和导电凸点阵列所形成的耦合阵列均存在一个可以特异透射红外光的最优结构参数，基于该结构参数设置的红外滤光片，可以使得峰值透射率接近100％，在最大程度上提升了红外滤光片的透射率，同时有效减小了半波宽。
39.本发明的实施例虽然针对硅衬底红外滤光片，其设计原理和结构形式可以推广到可光波段和太赫兹波段，相应的衬底材料选取在这些波段透明的材料，而激发表面等离极化激元的导电薄膜材料除了金属，还可以是类金属的导电化合物或高掺杂半导体材料，其载流子浓度大于10
19
cm
―3
。
40.本发明的技术除了用于光学滤波器，还可以应用于其他多种环境光检测设备，服务于食品、化工、农业、生物医药和环境监测等。
41.以上，以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种红外滤光片，其特征在于，包括：导电薄膜孔洞阵列；导电凸点阵列，其中，所述导电凸点阵列中的导电凸点设置在所述导电薄膜表面，所述导电凸点分布在非边缘孔洞四周。2.如权利要求1所述的红外滤光片，其特征在于，所述导电薄膜孔洞阵列与所述导电凸点阵列均以周期阵列排布方式进行排布。3.如权利要求2所述的红外滤光片，其特征在于，所述导电薄膜孔洞阵列与所述导电凸点阵列的排布周期相同。4.如权利要求3所述的红外滤光片，其特征在于，所述排布周期的取值范围为0.5-20微米。5.如权利要求1述的红外滤光片，其特征在于，所述非边缘孔洞四周等距分布多个所述导电凸点。6.如权利要求1所述的红外滤光片，其特征在于，所述导电凸点与所述导电薄膜为同一种材料。7.如权利要求6所述的红外滤光片，其特征在于，所述材料是金属材料、导电化合物和高掺杂半导体材料中的一种。8.如权利要求1的红外滤光片，其特征在于，所述导电凸点的形状与所述导电薄膜孔洞的形状对应设置。9.如权利要求1述的红外滤光片，其特征在于，所述导电薄膜孔洞阵列与所述导电凸点阵列形成耦合阵列，其中，在所述耦合阵列的形状发生变化时，分布在所述非边缘孔洞四周的所述导电凸点的数量随之发生变化。10.如权利要求9所述的红外滤光片，其特征在于，所述红外滤光片的透射率与所述耦合阵列的结构参数有关，其中，所述结构参数包括所述导电凸点的横截面尺寸、所述导电凸点的高度、所述孔洞所在的导电薄膜的厚度。

技术总结
本发明提供一种红外滤光片，包括：导电薄膜孔洞阵列；导电凸点阵列，其中，导电凸点阵列中的导电凸点设置在导电薄膜表面，导电凸点分布在非边缘孔洞四周。根据上述技术方案，在光学衬底上设置包括导电薄膜孔洞阵列和导电凸点阵列的混合结构阵列，通过导电薄膜孔洞阵列和导电凸点阵列激发的模式耦合，从而透射特定波长的红外光波，实现了具有接近100％的高透射率和窄带宽的红外滤光片。同时，由于导电薄膜孔洞阵列和导电凸点阵列的混合结构阵列的滤光片借助导电凸点阵列激发等离子体的窄谱特性，通过导电凸点阵列与导电薄膜孔洞阵列的耦合，有效降低了导电薄膜孔洞阵列透射光的带宽，进而有效提升了波长选择的广泛性。进而有效提升了波长选择的广泛性。进而有效提升了波长选择的广泛性。


技术研发人员：赖建军 徐灵祎 陈奕弘 曹伟杰
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/8/14