论文总字数：17427字

目 录

1引言 1

1.1颜色滤波器概述 1

1.2基于微纳结构的亚波长颜色滤波器 1

1.2.1亚波长光栅中的导模共振现象 1

1.2.2亚波长光栅颜色滤波器的分类和结构 2

1.3本文的研究内容 4

2彩色滤波片相关理论 4

2.1光波的基本电磁理论 4

2.1.1麦克斯韦方程组和物质方程 4

2.1.2边界条件 5

2.2表面等离激元 6

2.3一维亚波长光栅严格耦合波分析法 10

3一维亚波长光栅颜色滤波器的设计 16

3.1设计理论 16

3.2设计模型 17

4计算结果与理论分析 18

4.1亚波长光栅颜色滤波器的滤光特性 18

4.2光栅层厚度对等离子共振效应的影响 19

4.3亚波长光栅颜色滤波器的角度容忍性 20

5总结与展望 21

5.1总结 21

5.2展望 21

参考文献 23

致谢 25

光栅颜色滤波器的设计与性能研究

顾佳美

，China

Abstract: A polarizing color filter bases on sub-wavelength metallic gratings is proposed to work in the visible wavelength range, which is consisted of top metallic grating, dielectric-metallic composite layer and the substrate. The effects of the structural parameters of the designed components are studied in detail by rigorous coupled wave analysis (RCWA) and effective medium theory (EMT). The optimal parameters are obtained, in which more than 70% transmission with large angle tolerances. For the red color, the central wavelength is 705 nm and its corresponding transmittance is 66.4%. For the green color, the central wavelength is 590 nm and its corresponding transmittance is 81.24%. While for the blue one, the central wavelength is 452 nm and its corresponding transmittance is 81.23%.

Key Words: Metallic gratings; Color filters; Surface plasmon; Angle tolerance; Rigorous Coupled Wave Analysis

1引言

1.1颜色滤波器概述

颜色滤波器是通过可选择性地透射或反射固定波长的光波，从而在可见光光谱范围内呈现不同色光的光学元件。其中红绿蓝（RGB）三基色的颜色滤波器在平面显示、光通讯、传感探测和光学成像等领域有着潜在的应用。根据工作模式的不同，传统的彩色滤波器可以分为吸收型和干涉型两种。吸收型滤波器通常使用材料分子选择性地吸收可见光区域中特定的入射光波，实现一定程度的滤波效果，常用的材料包括化学染料和有色玻璃 ^[1-3]。吸收型颜色滤波器的制作成本相对较低，但在应用过程中存在以下问题：一是通带较宽，滤光效果不如干涉型光学滤波器；二是化学彩色滤光片在生产过程中，会对环境造成严重的污染，不能长时间在强光下照射，光能损失大。干涉型彩色滤波器主要是利用光波的多光束干涉原理，调制入射光波从而实现滤光的目的。光学干涉滤波器虽然种类繁多，但它们大多都是让光波通过多层折射率或厚度不同的薄膜，然后对在其中传播的光波进行调制，改变入射光的偏振、相位和光谱分布等参数以实现滤波的目的。限制薄膜层的数量和薄膜的折射率分布可以设计满足需要的滤波器，例如偏置、去极化、分束、光束闭合、带通或每个频带的截止。

1.2基于微纳结构的亚波长颜色滤波器

近些年来，微纳米结构材料的异常光学现象^[4,5]颇受人们的重视，在微纳米尺度下，人们基于不同的原理和结构提出了各种滤波器。其中，微纳米结构下的表面等离激元的偏振激发受到人们的普遍关注，例如通过利用纳米孔，纳米缝隙等方式激发表面等离激元，其中光和等离激元之间的转换被有效限制在亚波长尺寸，这种新的机制为彩色滤波器的设计提供了新的途径，同时，基于此种机制能够设计出在可见光的RGB波段范围内，对角度不敏感的窄带滤波器，收到了人们的极大关注。

1.2.1亚波长光栅中的导模共振现象

近年来，一种基于波导耦合光栅的导模共振滤光片(GMRF)引起研究人员的广泛关注。日本松下、韩国三星等公司等均专门成立了研究团队，开发GMRF在成像与显示领域的应用。对于本文涉及的亚波长光栅结构，需要使用矢量衍射理论进行分析，当衍射光与波导所支持的某阶导模满足波矢匹配，在求解麦克斯韦(Maxwell)方程最后，就会在光谱响应曲线中观察到高衍射效率的谐振，这种现象被称为导模共振效应(GMR) ^[6-11]。导模共振现象通过选择合理的光栅结构参数，使得亚波长周期波导光栅具有特殊的滤波特性。结合薄膜层的反射或透射特性，设计了一种滤波特性满足需要的导模谐振滤波器。Wang Q等人^[6]研究了不同方位角下，GRMF中的电磁场分布和光谱响应，设计了一种可以实现方位角调谐的窄带滤波器。长春光学精密机械与物理研究所周文超等人^[9]设计了一种二维亚波长金属光栅导模共振滤波器。GMR效应因具有高衍射效率、对称且极窄共振线型、低旁带等优点，成为获得高纯色度滤波器一个更好的选择^[10,11]。

1.2.2亚波长光栅颜色滤波器的分类和结构

光栅是最重要的光谱光学器件，广泛应用于各行各业。伴随加工工艺不断地发展，人们不仅对大尺度周期光栅进行理论研究，也渐渐地开始探索微米乃至纳米级别的周期光栅。近几年来，亚波长光栅由于其特殊的光学特性而慢慢地进入人们的视野。根据不同的光栅结构，亚波长光栅一般分为亚波长金属光栅、亚波长介质光栅、亚波长金属介质复合结构光栅。由于基于亚波长光栅的微纳结构器件的特征尺寸小于工作波长，因此，此类光学器件与光波相互作用的过程中期间导模发生的GMR效应和表面等离激元共振效应，有其传统光学元件不具备的光学特征，易于集成。下面介绍亚波长光栅颜色滤波器的一些典型结构。

1. 亚波长介质光栅颜色滤波器

基于亚波长介质光栅导模共振原理，陈林森研究小组^[12]设计了黄绿色转换光致变色薄膜器件，2004年正式应用于我国二代身份证；该研究小组通过介质涂层、气相沉积和热熔涂布等工艺，设计并研究了双通道光致变色器件（绿色、蓝色正交转换），完成连续工业制造，于2008年全面应用我国新的驾驶执照。图1（a）是嵌入式亚波长介质光栅示意图，图1（b）是使用该结构的驾驶执照的渲染图。这类结构通过调节高折射率的结构层来优化带宽，实现满足要求的反射或折射的工作模式，但是它们仅适用于一定范围内入射角或者应用在非常窄的视角范围内，限制了它们的应用范畴。

2016年，南京邮电大学郑煌晏等^[13]设计了一种基于导模共振效应的亚波长介质光栅颜色滤波器，结构如图2所示。衬底层是石英材质，表示波导层厚度，波导层是ZnO材料，表示光栅层厚度，用低折射率的氮化硅冲当介质光栅。通过对该结构光栅参数的调试和数值模拟，得到了反射效率极高，旁带反射率较低的颜色滤波器。当入射角度不断增大时，该彩色滤波器表现出极大的色彩敏感性。

1. 亚波长金属光栅颜色滤波器

2015年，上海理工大学杨赛等^[14]设计了一种基于导模共振效应的亚波长金属光栅颜色滤波器，具体结构如图3所示。该结构主要由三层构成：光栅层，波导层以及基底层。表示的光栅层的厚度，表示为波导层厚度，最下面是衬底层，通过对厚度、周期等参数的优化、调整和设计，设计出周期为544nm的颜色滤波器，相较于传统的颜色滤波片，该结构的滤波片可以通过对入射角的调节，实现三基色光的良好滤光。

1. 亚波长金属介质复合结构光栅颜色滤波器

2012年苏州大学丁秋兰等^[15]设计了一种针对可见光范围内的亚波长金属－介质－金属结构光栅，该光栅结构如图4所示。金属层光栅厚度为，介质光栅层厚度为，介质层选择柔性材料PMMA。通过对结构参数的不断优化，得到对青色、品红色和黄色滤色效果良好的光栅结构，同时该结构对入射角敏感度不大，入射角在小于45度的范围内，反射光谱大致上不发生改变，该结构特别适用于反射式彩色显示。

1.3本文的研究内容

本文作者基于GMR效应，研究了一种具有角度不敏感特性的彩色滤波器，根据光栅微结构中表面等离激元的激发与传播性质，设计了一种光栅层为金属—介质复合构造的亚波长颜色滤波器。

第一章对颜色滤波器进行了概述，探讨了亚波长光栅颜色滤波器的分类和典型结构。

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