基于表面等离激元和全介质超表面结构色研究

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结构色是指微纳结构对光进行干涉、衍射和散射所产生的颜色,这与传统的颜料色滤波器依靠化学成分吸收光所产生的颜色不同,这种现象改变了传统的显色方式。结构色属于物理色,随着微纳技术的发展,结构色可以通过人工制造并对其进行控制。结构色有使用寿命长、稳定性强、可突破光学衍射极限等优点,故其在超规模彩色滤光、多光谱成像等领域能够发挥重要的作用。一般用于制造结构色滤波器的材料为金属和介质,由金属和全介质材料制成的结构色滤波器,除了具有大多数结构色的优点,还分别具有快速调色和高饱和度滤色的特点,这些特点为设计新型结构色滤波器的提供了思路。本文中主要设计了两种不同的结构色滤波器,其主要研究工作如下:1)设计了一种基于矩形金属块阵列结构的等离子体颜色滤波器,该器件结合表面等离子体共振效应与平板波导的导波特性,利用非对称矩形金属块周期性阵列结构对入射光偏振敏感的特点,在可见光波段实现对透射光谱的动态调控。采用时域有限差分法研究了阵列周期、填充因子、电介质层与金属层厚度、入射光偏振角等参数对透射光谱及其滤色特性的影响。结果表明,通过改变矩形金属块阵列周期参数可静态调控透射光谱;矩形金属块阵列周期不对称时,通过改变入射光偏振角可对透射光谱进行动态调控。通过调节结构参数,滤波器在可见光范围内得到了的高达75%透射率,且可同步实现对滤出颜色的静态和动态调控。该研究为下一代颜色可调谐等离子体颜色滤波器的设计提供理论依据。2)设计了一种基于H型硅纳米阵列的全介质颜色滤波器。与可见光范围有较大损耗的等离激元颜色滤波器相比,全介质颜色滤波器在可见光范围内具有高质量的Mie共振,并且可以产生清晰的色彩。将H型纳米谐振器与纳米球和纳米圆柱等简单结构进行比较,我们发现它在结构控制方面具有更大的自由度,因此可以更精确地控制颜色。通过时域有限差分(Finite Difference Time Domain,FDTD)方法,探讨了滤色器的结构参数与Mie共振以及滤色效应之间的联系,从而发现通过控制结构参数可以控制Mie共振。通过仔细调整参数的比例和大小,可以达到增加色饱和度和扩展色域的目的,并在可见光范围内进行全光调控。该研究为设计下一代可扩展色域的全介质彩色滤光片提供了理论基础,在数字彩色显示和彩色打印领域具有重要的应用。3)提出了利用电子束蒸镀,电子束光刻,离子束刻蚀等工艺制备薄膜滤色器的基本制备方案,为接下来器件的制备以及性能的测试提供实现方案。
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