基于表面等離子激元效應(yīng)的二維陣列顏色濾波器研究.pdf

1、顏色濾波器是現(xiàn)代光學(xué)器件中的重要組成部分。隨著社會(huì)的發(fā)展與科技的進(jìn)步，以印染成色為主的傳統(tǒng)顏色濾波器弊端逐步顯現(xiàn)，越來越無(wú)法滿足人們?cè)灰嬖鲩L(zhǎng)的需求，尤其是在彩色圖像超高分辨還原領(lǐng)域，傳統(tǒng)濾波器成色單元尺寸受限于衍射極限無(wú)法進(jìn)一步縮小，阻礙了納米像素單元和精細(xì)集成電路的發(fā)展。基于表面等離子激元原理的新型顏色濾波器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅依靠改變自身納米結(jié)構(gòu)單元就能方便地實(shí)現(xiàn)濾波成色，從根本上突破了光學(xué)衍射的限制，對(duì)顏色濾波器的發(fā)展的具有重要意義。以

2、表面等離子激元為基礎(chǔ)發(fā)展起來的新型顏色濾波器種類繁多，各具特色，但也存在著一些局限性，需要進(jìn)一步的研究和改善。如基于光學(xué)超高透射EOT現(xiàn)象的顏色濾波器透射效率較低，而新興的基于光學(xué)超低透射ELT現(xiàn)象的一維光柵顏色濾波器，雖然解決了透射率低的問題，但濾波效果與入射光的偏振態(tài)相關(guān)，這些缺陷嚴(yán)重影響了它們的實(shí)際應(yīng)用。為此，本文提出了一種全新的基于光學(xué)超低透射現(xiàn)象的超薄銀膜二維顏色濾波器，并展開了理論和實(shí)驗(yàn)研究。
　　首先介紹了金屬表面等

3、離子激元的原理和特性，包括其色散關(guān)系，穿透深度和傳播長(zhǎng)度等。闡述了金屬表面等離子激元的入射光耦合激發(fā)方式，并對(duì)光柵耦合需求的微結(jié)構(gòu)加工方法進(jìn)行了探討和分析，著重論述了各種膜層制備技術(shù)以及微納結(jié)構(gòu)制備技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。
　　隨后經(jīng)過一系列建模計(jì)算，提出了一種超薄銀膜二維圓孔陣列顏色濾波器模型，該模型不僅透射率高，而且濾波效果與入射光偏振無(wú)關(guān)。利用時(shí)域有限差分軟件FDTD Solutions，分別從不同的材料厚度，圓孔陣列周期和占空比等方

4、面，對(duì)其展開了仿真，通過對(duì)仿真結(jié)果的詳細(xì)分析和可行性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，掌握了濾波器顏色調(diào)控規(guī)律，并對(duì)等離子激元顏色調(diào)控機(jī)理做出了解釋。
　　為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高透射率，高純度的顏色濾波器，本文以超薄銀膜上的二維圓孔陣列顏色濾波器為基礎(chǔ)，進(jìn)一步展開優(yōu)化研究，提出一種通過圓孔陣列錯(cuò)位量調(diào)控濾波器顏色純度的新方法。該方法通過合理地改變納米孔陣的排列方式，在保持原有高透射率的優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，可以有效地提高濾波成色純度。結(jié)合系統(tǒng)的模型仿真結(jié)果和一系列的樣

5、品測(cè)試數(shù)據(jù)，給出了制備高透射、高純度二維錯(cuò)位圓孔顏色濾波器由預(yù)期顏色到濾波器參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。并利用推導(dǎo)得出的二維錯(cuò)位圓孔表面等離子激元的波長(zhǎng)匹配公式，解釋了其實(shí)現(xiàn)顏色調(diào)控的物理機(jī)制。
　　為使二維陣列顏色濾波器能夠順利地生產(chǎn)應(yīng)用，有必要設(shè)計(jì)一種高效大面積制備表面等離子激元濾波器的方法。本文通過分析傳統(tǒng)制備方法的特點(diǎn)及尚存的局限性，提出了一種全新的基于XIL光路高效大面積制備二維陣列顏色濾波器的四光柵干涉拼接方法。該方法曝光精度高，

6、單次曝光面積大，時(shí)間短。并且可以通過在光路中設(shè)計(jì)和添加級(jí)次選擇光闌，有效避免零級(jí)光在曝光面上的干擾，再配合樣品臺(tái)相應(yīng)的移動(dòng)和擋光光闌適時(shí)開關(guān)，理論上可實(shí)現(xiàn)曝光區(qū)域的完美拼接。在此基礎(chǔ)上，本文相應(yīng)地提出了一種在不改變周期情況下，僅通過改變占空比調(diào)控顏色的新方法，大大提升了XIL光路中掩膜光柵的利用效率，有效降低了實(shí)際大面積制備多種型號(hào)濾波器時(shí)的生產(chǎn)成本，使得XIL多光柵拼接技術(shù)更具有實(shí)用性。
　　最后對(duì)本文的研究成果及創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)

7、:提出了一種高透射率且偏振無(wú)關(guān)的超薄銀膜二維圓孔陣列顏色濾波器模型，并開展了系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究，建立完備的數(shù)理模型;開展了提升超薄銀膜二維圓孔陣列顏色濾波器模型顏色純度的研究，提出了一種利用圓孔陣列錯(cuò)位量在不改變?yōu)V波器透射率前提下，調(diào)控顏色純度的新方法。研究總結(jié)出由預(yù)期顏色到濾波器參數(shù)的指導(dǎo)公式;開展了相應(yīng)制備工藝和試驗(yàn)方法的研究，提出了一種基于XIL光路高效大面積制備二維陣列顏色濾波器的四光柵干涉拼接方法。另外，指出了本課題中需要進(jìn)