專利名稱：光波長連續(xù)可調(diào)的帶通濾波器及其實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)帶通濾波器，尤其涉及一種光波長連續(xù)可調(diào)的帶通濾 波器及其實(shí)現(xiàn)方法，屬于光學(xué)信號(hào)處理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光學(xué)濾波主要通過濾波片來實(shí)現(xiàn)，其基本原理是通過光學(xué)鍍膜，按照每次 對(duì)波長透射率的需求進(jìn)行光學(xué)鍍膜，該方法的缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)同一濾波片調(diào)節(jié) 濾波的波長。
表面等離子體激元(surface plasmon polaritions， SPPs)是由Ritchie在20世 紀(jì)60年代首先提出來的，它是局域在金屬表面的一種由自由電子和光子相互作 用形成的混合激發(fā)態(tài)。在這種相互作用中，自由電子與那些具有相同共振頻率 的光波發(fā)生集體振蕩。這種表面電荷振蕩與光波電磁場(chǎng)之間的相互作用就構(gòu)成 了具有獨(dú)特性質(zhì)的SPPs.通過改變金屬表面的形貌，即可改變SPPs的性質(zhì)。當(dāng) 在金屬表面加工納米孔陣列時(shí)，由于納米孔陣列的對(duì)SPPs的調(diào)制，在可見光照 射在該結(jié)構(gòu)上時(shí)，可在結(jié)構(gòu)的背面探測(cè)到波長受孔陣列結(jié)構(gòu)參數(shù)影響的透射 光；此外，表面等離子體激元還和與金屬相接觸的電介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有通過濾波片實(shí)現(xiàn)光學(xué)濾波的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一 種光波長連續(xù)可調(diào)的帶通濾波器及其實(shí)現(xiàn)方法，解決光學(xué)帶通濾波器依靠濾波 片只能實(shí)現(xiàn)單一波長濾波，調(diào)制難度大的問題。為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的第一個(gè)目的，其技術(shù)解決方案為
設(shè)計(jì)一種光波長連續(xù)可調(diào)的帶通濾波器，其特征在于該帶通濾波器垂直 于可見光入射方向設(shè)置有周期性納米孔陣列金屬薄膜，且該納米孔陣列金屬薄 膜表面接觸有介電常數(shù)受控線性變化的電介質(zhì)。
進(jìn)一步地，前述的一種光波長連續(xù)可調(diào)的帶通濾波器，其中該電介質(zhì)為液 態(tài)，包括酒精、油、丙酮、甲苯等。或者，該納米孔陣列金屬薄膜表面設(shè)有一 個(gè)透明腔體，該透明腔體內(nèi)填充有酒精蒸汽、甲苯蒸汽等氣態(tài)電介質(zhì)。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明第二個(gè)目的的技術(shù)解決方案是
光波長連續(xù)可調(diào)的帶通濾波器的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于可見光入射到接 觸有電介質(zhì)的周期性納米孔陣列金屬薄膜上激發(fā)出表面等離子體激元，繼而透 射出波長對(duì)應(yīng)于表面等離子體激元頻率的透射光波；通過線性調(diào)節(jié)與金屬薄膜 表面接觸的電介質(zhì)的介電常數(shù)，實(shí)現(xiàn)光波長連續(xù)改變的光波輸出。
進(jìn)一步地，前述的光波長連續(xù)可調(diào)的帶通濾波器的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在 于該電介質(zhì)為液態(tài)，線性調(diào)節(jié)液態(tài)電介質(zhì)的介電常數(shù)是通過改變不同介電常 數(shù)的液態(tài)電介質(zhì)的混合比率實(shí)現(xiàn)的；或者該電介質(zhì)為氣態(tài)，線性調(diào)節(jié)氣態(tài)電介 質(zhì)的介電常數(shù)是通過改變氣體濃度、壓強(qiáng)及揮發(fā)時(shí)間實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明應(yīng)用于實(shí)際的可見光光波調(diào)制中，利用金屬表面等離子體激元效 應(yīng)，通過線性改變和金屬納米孔陣列接觸的電介質(zhì)的介電常數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù) 改變?yōu)V波波長的效果，且另具波長調(diào)制范圍大、快速方便、濾波波長變化精度 高等特點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明帶通濾波器納米孔陣列的照片示意圖2是本發(fā)明帶通濾波器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖3是濾波波長隨截至類型的改變關(guān)系圖4是濾波波長隨酒精蒸汽揮發(fā)時(shí)間的變化關(guān)系曲線。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是利用在周期納米孔陣列的調(diào)制下，在可見光入射到金屬表面時(shí)， 金屬和鄰近介質(zhì)的表面等離子激元效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)一些特定波長的透射，透射的 波長受介質(zhì)的介電常數(shù)調(diào)制。當(dāng)和金屬納米孔陣列相接觸的電介質(zhì)的介電常數(shù) 發(fā)生變化時(shí)，金屬-電介質(zhì)的表面等離子體激元振蕩模式就發(fā)生了改變，進(jìn)而其 選擇性透過光波的波長也發(fā)生了改變
通過選擇特定的電介質(zhì)，其特點(diǎn)是介電常數(shù)可以簡(jiǎn)單地進(jìn)行線性改變，然 后通過將其和金屬納米孔陣列直接接觸，即可實(shí)現(xiàn)改變?yōu)V波波長的效果。
實(shí)施例一
使用金屬鍍膜方法在玻璃1上生長150nrn的Au金屬薄膜2，然后使用電 子束曝光和IBE刻蝕的方法在Au金屬薄膜2表面加工納米孔陣列21 (圖1為 納米方孔陣列的SEM圖片，孔的邊長為150nmX150nm，周期性間隔為 800nm)。在加工好的樣品上涂上所需的電介質(zhì)3，如油、酒精等的液態(tài)混合 層(圖2為本發(fā)明帶通濾波器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖)，在樣品的上表面用可見光源4照 射樣品，在樣品的下表面即可得到所需波長的透射光，并通過檢測(cè)器5驗(yàn)證。 本實(shí)現(xiàn)方法涉及的介質(zhì)為可以簡(jiǎn)單地加到金屬表面，并可以容易去掉的電介 質(zhì)，如酒精、油、丙酮、甲苯等。通過改變不同介電常數(shù)的液態(tài)電介質(zhì)的混合比率，能夠調(diào)節(jié)電介質(zhì)3獲得不同的介電常數(shù)，從而調(diào)制所需的光波輸出。 實(shí)施例二
使用金屬鍍膜方法在玻璃1上生長150nm的Au金屬薄膜2，然后使用電 子束曝光和IBE刻蝕的方法在Au金屬薄膜2表面加工納米孔陣列21 (圖1為 納米方孔陣列的SEM圖片)。在納米孔陣列金屬薄膜表面設(shè)置一個(gè)透明腔 體，用于存放特殊氣體電介質(zhì)，通過改變氣體的濃度，實(shí)現(xiàn)對(duì)介電常數(shù)的改 變，然后在樣品的上表面用可見光4源照射，在樣品的下表面即可得到所需波 長的透射光，并通過檢測(cè)器5驗(yàn)證。(圖4是濾波波長和酒精蒸氣揮發(fā)時(shí)間的 變化關(guān)系曲線圖)。本實(shí)現(xiàn)方法中涉及的介質(zhì)為可以調(diào)制調(diào)節(jié)氣體濃度改變介 質(zhì)常數(shù)的電介質(zhì)，如酒精蒸氣、甲苯蒸氣等。
圖3為電介質(zhì)為空氣、酒精、油時(shí)，濾波波長隨介質(zhì)的改變關(guān)系圖，其中 ^,r=1， fai。。h。1=i.8496， sOT=2295。通過以上兩個(gè)實(shí)施例的描述，本發(fā)明一種光
波長連續(xù)可調(diào)的帶通濾波器及其實(shí)現(xiàn)方法的特殊效果便清楚且顯而易見。在實(shí) 際的可見光光波調(diào)制中，利用金屬表面等離子體激元效應(yīng)，通過線性改變和金 屬納米孔陣列接觸的電介質(zhì)的介電常數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)改變?yōu)V波波長的效果， 且另具有波長調(diào)制范圍大，快速方便，濾波波長變化精度高等特點(diǎn)。
綜上所述，本發(fā)明技術(shù)方案的特征及有益效果得以全面的記述，但并非以 此局限本發(fā)明靈活多變的實(shí)施方式，其電介質(zhì)的選取及其介電常數(shù)線性改變的 途徑具有多重可選性。因此，但凡對(duì)本發(fā)明帶通濾波器結(jié)構(gòu)及其通過線性調(diào)節(jié) 介電常數(shù)來調(diào)制不同光波長的透射光的方法進(jìn)行簡(jiǎn)單修改和等效替換，均應(yīng)包 含在本發(fā)明申請(qǐng)的權(quán)利保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.光波長連續(xù)可調(diào)的帶通濾波器，其特征在于所述帶通濾波器垂直于可見光入射方向設(shè)置有周期性納米孔陣列金屬薄膜，且所述納米孔陣列金屬薄膜表面接觸有介電常數(shù)受控線性變化的電介質(zhì)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光波長連續(xù)可調(diào)的帶通濾波器，其特征在于 所述電介質(zhì)為液態(tài)，包括酒精、油、丙酮或甲苯。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光波長連續(xù)可調(diào)的帶通濾波器，其特征在于-所述納米孔陣列金屬薄膜表面設(shè)有一個(gè)透明腔體，所述透明腔體內(nèi)填充有氣態(tài) 電介質(zhì)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光波長連續(xù)可調(diào)的帶通濾波器，其特征在于 所述氣態(tài)電介質(zhì)為酒精蒸汽或甲苯蒸汽。
5. 權(quán)利要求1所述的光波長連續(xù)可調(diào)的帶通濾波器的實(shí)現(xiàn)方法，其特征 在于可見光入射到接觸有電介質(zhì)的周期性納米孔陣列金屬薄膜上激發(fā)出表面 等離子體激元，繼而透射出波長對(duì)應(yīng)于表面等離子體激元頻率的透射光波；通 過線性調(diào)節(jié)與金屬薄膜表面接觸的電介質(zhì)的介電常數(shù)，實(shí)現(xiàn)光波長連續(xù)改變的 光波輸出。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光波長連續(xù)可調(diào)的帶通濾波器的實(shí)現(xiàn)方法，其 特征在于所述電介質(zhì)為液態(tài)，線性調(diào)節(jié)液態(tài)電介質(zhì)的介電常數(shù)是通過改變不 同介電常數(shù)的液態(tài)電介質(zhì)的混合比率實(shí)現(xiàn)的。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光波長連續(xù)可調(diào)的帶通濾波器的實(shí)現(xiàn)方法，其 特征在于所述電介質(zhì)為氣態(tài)，線性調(diào)節(jié)氣態(tài)電介質(zhì)的介電常數(shù)是通過改變氣 體濃度、壓強(qiáng)及揮發(fā)時(shí)間實(shí)現(xiàn)的。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種光波長連續(xù)可調(diào)的帶通濾波器及其實(shí)現(xiàn)方法，其特征是該帶通濾波器垂直于可見光入射方向設(shè)置有周期性納米孔陣列金屬薄膜，且該納米孔陣列金屬薄膜表面接觸有介電常數(shù)受控線性變化的電介質(zhì)。具體可通過可見光入射到接觸有電介質(zhì)的周期性納米孔陣列金屬薄膜上激發(fā)出表面等離子體激元，繼而透射出波長對(duì)應(yīng)于表面等離子體激元頻率的透射光波。本發(fā)明通過線性調(diào)節(jié)與金屬薄膜表面接觸的電介質(zhì)的介電常數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)光波長連續(xù)改變的光波輸出，且另具波長調(diào)制范圍大、快速方便、濾波波長變化精度高等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02B5/20GK101672941SQ20091018392
公開日2010年3月17日 申請(qǐng)日期2009年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月13日
發(fā)明者曉 嚴(yán), 張寶順, 張曉東, 李海軍, 林文魁 申請(qǐng)人:蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所