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摘 要

本文研究了一种新型的表面等离子体滤色片，与传统的滤色片不同，新结构能够在极小的尺寸下实现滤色功能。这种新型的滤色片是以Kretschmamn结构为基础，结合了电润湿技术，能够实现两种不同工作状态的快速切换，在每一种工作状态下能够实现对某个波长的光的吸收，使得得到的反射光为该波长光的补色光。该结构拥有极大的发展潜力，在勘测，成像，显示方面都有应用价值。

首先本文对表面等离子体波的表达式，特征长度，激发条件做了理论的分析推导，验证了结构的可行性，其次通过对于Kretschmann结构的分析得到了新结构设计的灵感并基于此设计了新结构。最后结合了电润湿技术对新结构做了改进，通过理论分析得到了结构具体的理论参数值。

该结构在理论上能够实现可见光波段的滤色功能，只要选定入射角就能对滤色波长进行选择。虽然该结构暂时处于理论设计阶段，离实际投入生产使用尚有很长的路要走，但是随着电子器件的发展，该结构拥有极大的发展潜力和潜在应用价值。

关键词：表面等离子体波，滤色片，电润湿，光学

A DESIGN ON COLOR FILTER BASED ON SURFACE PLASMONICS

Abstract

This paper studies a new type of filter based on surface plasmonics. Different with the traditional filter, the new filter structure can realize the function in small size.This new filter is based on kretschmamn structure,and be combined with the electrowetting technology in order to achieve the fast switching of two different working states.This filter can absorb the light of a certain wavelength in either working states. This structure has great potential for development, and is of value in surveying, imaging and display.

Firstly,the expression of the surface plasmonics wave, the characteristic length, and the excitation condition are deduced and the feasibility of structure was verified.Secondly, I got inspiration from the structure of Kretschmann and designed the new structure.Finally,I improved the structure by combining it with electrowetting technology and got the theoretical parameters of the structure by theoretical analysis.

This structure can realize the filter function in visible light in theory.You can choose the wavelength of the light you want to filter by choosing the angle of incidence. Although the structure is temporarily at the theoretical design stage and there is still a lot of work to do,but with the development of the electronic devices, this structure has great potential for development and potential application value.

KEY WORDS: Surface plasma wave, Color filter, electrowetting, Optical

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2课题研究背景 1

1.3 表面等离子体研究现状及其相关应用 2

1.4 本文的研究目的和主要研究内容 3

第二章表面等离子体共振理论研究 4

2.1 Drude模型 4

2.2金属与介质的表面等离子体波 6

2.3表面等离子体波的特征长度 11

2.4表面等离子体的激发 12

2.5Kretschmamn结构 14

第三章 表面等离子体滤色片设计及理论分析 16

3.1表面等离子体滤色片的基本结构 16

3.2金属的选择 18

3.3介质的选择 20

3.4结构的工作方式 20

3.5与电润湿技术的结合 23

3.6对滤色片的进一步改进思路 28

结论 30

致谢 31

参考文献（References） 31

第一章 绪论

1.1引言

自人类文明开始，人们便对光进行各种研究并想尽办法控制利用光。自从牛顿在1666年利用棱镜将白光分解为七种颜色，人们便认识到白光是由不同颜色的光混合而成的，这也成为了现代光谱分析的基础。当然，人们早已不满足于在大尺寸下对光的控制利用，随着电子元器件越做越小，人们需要在微米、纳米级尺寸下对光进行分解，传统的光学受到了极大的挑战，这时候拥有传统光学所没有的巨大优越性的表面等离子体波效应开始崭露头角。

表面等离子体波的产生是由于光波（电磁波）照射到介质和金属的分界面时，金属中有大量的自由电子，这些自由电子会发生集体振荡，从而形成一个局限于金属表面的特殊的电磁波，如果入射的电磁波的频率恰好与自由电子的振荡频率相同，就会发生共振现象，在共振状态下入射电磁波的能量会大量转化为金属表面自由电子振荡的能量。光子和金属中的自由电子相互作用而被俘获所产生的光波是它的本质。由于表面等离子体波的一系列特性，使得传统结构无法实现的光电器件成为可能，表面等离子体波成为当今的热门研究对象。

1.2课题研究背景

表面等离子体波技术的发展时间不短，至今也有一百多年，1902年，表面等离子体激元共振现象首次被人发现，R. W. Wood在光学实验中发现了这一奇特的现象，Wood在研究金属光栅的横磁偏振反射光谱实验中首次观察到了一种异常的光学现象，也就是后来被称作为表面等离子体共振（Surface plasma oscillations:SPO）现象。这个奇特的现象一直没有得到合理的解释，直到1941年，Ugo Fano在实验中使用光波照射金属光栅的表面发现了局域在光栅表面的束缚电磁波模式，才使得这个奇特的现象得到理论上的解释。1957年，Ritchie在实验中发现这么一个现象，在电子通过金属薄膜层时，不仅仅在等离子体激元频率处有能量的损失，在较低的频率处也发现了能量损失现象，Ritchie认为这和金属有关，同时利用静电理论提出 “金属等离子体”的概念用以描述金属的内部电子密度的纵向波动。1959年，C. J. Powell和J. B. Swan通过高能电子发射法测定铝箔的特征电子能量损失验证了R. H. Ritchie的理论。第二年，E. A. Stren和R. A. Farrel研究了此种模式产生共振的条件并首次提出了表面等离激元（Surface Plasmon，SP）的概念。他们还发现除了电子能够激发金属表面的等离子体共振外，金属表面的等离子体共振也能被光波所激发，这使得表面等离子体波研究领域得到了极大的开拓。^[1]

激发表面等离子体共振是需要条件的，表面等离子体波的波失比同频率的真空中波的波失要大，因此必须进行波失的匹配才能产生表面等离子体波共振。1968年，otto首次利用衰减全发射的方法实现了光波频段的表面等离子体共振，如图1-1所示。1971年，Kretschmann和Raether对otta的模型进行了修改，提出了新型的Kretschmann结构，这个结构至今被人广为使用。^[13]

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