研究与评论:材料科学杂雷竞技苹果下载志
菜单ISSN: 2321 - 6212
ISSN: 2321 - 6212
收到:2022年8月12日，稿件编号:joms - 22 - 71820;编辑分配:2022年8月16日，预qcjoms - 22 - 71820 (PQ);综述:8月30日-2022joms - 22 - 71820;修改后:2022年9月6日稿件编号:joms - 22 - 71820 (R);发表:13-Sep-2022, DOI: 10.4172/2321-6212.10.7.003。
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薄膜技术在许多复杂设计和结构的光学滤光片中发挥了重要作用，如布拉格、二向色和鲁盖特滤光片。近年来，超材料的目标是通过将复杂性应用于材料本身来简化结构和提高性能。在这项研究中，我们提出了一种将可见光波长等离子体谐振腔与纳米金字塔结构减反射涂层集成在一起的设计技术，以生产高性能的可见光波长固定线陷波滤波器。金字塔结构陷波滤波器可以通过模仿梯度指数跃迁在被拒绝的波长周围提供高传输带，同时与薄膜对口不同，对斜入射角保持无移位。作为实例，本研究还展示了一种专门用于激光眩光和眩光保护的532 nm陷波滤波器。
光学过滤器;纳米结构;等离子上;超材料
1817年，约瑟夫·冯·夫琅和费发现了玻璃单层的抗反射(AR)效果[1］．尽管弗劳恩霍夫本人从未跟进过这一特殊的发展，但他的观察确实为这一领域奠定了基础。现代薄膜光学涂层的发展在20世纪30年代由Rouard [2]，鲍尔[3.]， Pfund [4]、强[5]， Smakula [6]和Geffcken [7］．劳伦斯·布拉格和他的父亲威廉·亨利·布拉格(William Henry Bragg)支持AR电影向光学滤光片的扩展。8］．这对父子二人定义了x射线晶体学的布拉格定律，在这样做的同时，他们也为光学滤光片的指导原则——建设性干涉和破坏性干涉的影响提供了描述。由于光学系统的突然扩展，特别是照相物镜需要更复杂的减反射涂层，光学涂层的技术进步大大提高了性能。第二次世界大战见证了一个巨大的发展，涂料成为光学系统的必需品。在今天的光学系统中，几乎不可能想象一个光学设备不依赖光学涂层来确保和提高功能和性能。现代滤光片的层数超过100层并不罕见，而且在科学技术的几乎所有分支中都已发现了它们的用途。
光学滤光片的底层技术虽然有了显著的改进，但仍保持不变，由具有交替和对比折射率的透明薄膜层组成。层厚的设计是为了在反射和透射光束中产生破坏性和建设性干涉[9]，根据过滤器的用途和类型而定。因此，由于这种设计的性质，由于相厚度的变化，层的性能随着入射角的变化而变化。因此，使光学滤光片具有极高的角灵敏度[10］．超材料已被强调为一个强有力的竞争者，以改善光学滤光片的角度性能[11，12而不会发出传统染料分子中的荧光。
为电磁波操纵的预期目的而对人造材料的探索开始于19世纪末[13随着这项技术逐渐成熟，不再局限于基础研究，他们对这项技术也越来越感兴趣。与化学结构影响电磁性能的传统材料不同，超材料是通过其物理结构来影响电磁性能的。为了影响电磁辐射，超材料原子，被称为元原子或单元细胞，代表了比波长小得多的物理特征，当以某种形式的布拉维晶格排列时，表现为均匀材料。因此，在光学频率下，结构必须保持在纳米尺度[14］．
研究人员已经演示了使用超材料作为光学滤光片的应用和设计，但输出往往缺乏薄膜在正常入射下所表现出的性能[11，12，15］．蛾眼纳米结构就是一个例子，它的抗反射性能超过了薄膜[16］．在自然界中，飞蛾的眼睛有一种不寻常的特性，它们的眼睛表面覆盖着天然的纳米结构，作为一种伪装形式[17］．研究人员采用了这一想法，并展示了具有表面结构的抗反射涂层，其作用是梯度指数特征[18］．可以使用纳米金字塔构造简化的蛾眼设计，以实现与蛾眼相同的抗反射特性[19］．此外，我们之前的研究证明了等离子体超材料如何用于激光防护眼镜，但最终缺乏“近乎完美”的失共振传输[12］．本文提出的研究将金字塔结构结构与等离子体纳米粒子相结合，以显著提高固定线超材料陷波滤波器的光学性能。等离子体纳米粒子作为电荷包，当受到特定波长的影响时，它们在表面集体振荡，从而改善了在该精确波长上的光阻塞。
分析理论包括Mie理论和薄膜干涉理论，为本研究提供了基础设计原则。随后，利用全波数值模拟软件(CST Microwave Studios)求解了远场响应。从文献中得到了材料的折射率和消光系数的光学性质。光的传播方向，k向量，在正常入射时垂直于设计曲面。对于入射角(theta)的研究，传播方向与正常入射面不同。电场是y轴方向的磁场是x轴方向的。广义设计方法将金字塔结构折射率从1.38范围扫到3。
物理和设计协议
陷波滤波器波长的等离子体调谐:等离子体激元产生于贵金属中自由电子的集体振荡，类似于金属中电子气体的机械振荡[20.］．由于存在外电场，电子气相对于固定的离子核发生位移。在贵重金属，如金和银的表面，等离子体元以表面等离子体极化激元(SPPs)的形式存在。这些表面等离子体激元是光学激发的，在入射时，光可以耦合成一个站立或传播的表面等离子体激元模式。当一个表面等离子体激元被限制在一个纳米粒子上时，粒子的自由电子就会导致定位于纳米粒子本身的集体振荡。这被称为局部表面等离子体(LSP) [21］．LSP有两个主要含义。首先，粒子表面的电场被大大放大，在粒子表面附近增强最大，并随着距离的增加迅速减小。其次，粒子的光学消光峰值在等离子体共振频率，这对于贵金属纳米颗粒发生在可见光波长。消光峰取决于周围介质的折射率，是固定线光学超材料缺口滤波器的基础。散射理论(Mie理论，Gans理论)为局部表面等离子体共振(LSPR)的产生提供了深刻的理解。
在图1一个，为块体银和金的复介电函数的实分量[22约翰逊和克里斯蒂通过实验确定的。LSPR峰值对周围介质环境的依赖，图1 b，是−2时满足的条件εd,在那里εd是周围介电环境的真实介电常数。例如，水中的金纳米颗粒(εd=1.33)，期望谐振波长约为501 nm。的敏感性εd由介电函数在观测波长范围内的实分量的斜率推导而来。在给定的外部介电常数下，银的LSPR波长会比金的更蓝(波长更短)。在等离子体共振中，介电函数的虚部在共振峰的阻尼或展宽中起作用。如图1 b通过在不同的周围折射率环境中使用金和银纳米颗粒，LSPR可以跨越可见光谱的整个长度。
图1:(a)根据Johnson和Christy，银和金的介电常数(实部)。(b)银和金纳米颗粒的局部表面等离子体共振波长，周围材料折射率变化，固定粒径为20 nm。?
采用金字塔结构增透结构增强透射:图2与四分之一波厚度的具有不同折射率的薄膜层相比，提出了金字塔结构设计作为增透涂层的传输效果。
图2:对于(a)与空气界面层的变折射率玻璃基板薄膜和(b)变折射率金字塔结构设计，顶部薄膜层折射率与入射波长的函数传输等高线图。
这里的金字塔结构示例没有任何等离子体谐振器来单独演示高传输优势。标准薄膜设计(图2a和2b)由以下层配置λ组成0= 550纳米
薄膜结构的性能，与顶部薄膜层在指数低于1.52，提供了一些减反射性能。而当指数高于1.52阈值时，透射率开始大幅降低，反射率达到40%左右n不同= 3。与在界面处显示折射率剧烈变化的薄膜对应物不同，金字塔结构在空气和介质之间具有连续的折射率梯度，通过有效地去除空气到薄膜的界面来减少反射。值得注意的是，在较低的指数范围内，金字塔结构的抗反射特性提供了宽带解决方案。然而，随着金字塔结构指数的增加，增透性能变差，峰值透射率保持在参考波长99.98%左右。在距离参考波长最远的波长处的反射从不低于4%。金字塔结构的设计配置可以在图3没有等离子体纳米粒子的存在。
图3:固定线光学陷波滤波器的侧面设计。插入显示三维结构与模拟网格。
标准光学薄膜的四分之一波设计原则为金字塔结构尺寸的确定提供了依据。值得注意的区别是，金字塔结构本身必须有相当大的高度才能产生有效的梯度。如果高度没有足够的梯度，那么由于阻抗不匹配，入射波将在界面处经历相位变化，从而导致不必要的反射。为了增加梯度，减少反射光，金字塔结构的厚度，h，必须有一个奇数乘法因子，米，因此任何反射光都会对入射光产生破坏性的干扰，从而产生相位差mπ
为了防止折射率的急剧变化，并防止金字塔结构和玻璃基板之间进一步不必要的反射，包括折射率为n的简单薄膜匹配层2．
由于匹配层是传统的非结构化涂层，因此可以在四分之一波长处计算涂层的厚度。
金字塔结构超材料缺口滤波器的侧向结构可以在图3，插页显示实际的三维模拟结构。金字塔结构作为金字塔结构的特征，为产生高透射提供了梯度指标。金字塔结构和等离子体谐振器材料的折射率由所需的缺口波长决定，正如局部表面等离子体共振所描述的那样，图1 b．从所选的金字塔结构指数可以确定匹配层。例如，如果需要550 nm的陷波滤波器，根据LSPR，可以选择一个银纳米颗粒，并被折射率为2.46的金字塔结构结构包围。根据式2，玻璃基板与金字塔结构的匹配层为1.93。
设计发现于图3通过简单地根据LSPR选择材料属性，实现了固定线路光学陷波滤波器的简单设计路线。在共振波长，吸收和散射函数增加，导致透射率显著下降。金字塔结构材料的折射率对透射谱的影响可以在图4．等高线传输图表明，银仍然是理想的材料选择，因为不像金，传输衰减不会改变整个折射率范围。黄金对应物不提供低折射率环境下的强LSPR，但允许在较长的可见波长范围内进行缺口选择，这超出了银所能提供的。
图4:(a)银和(b)金滤光片透射率随激光波长和金字塔结构折射率变化的等高线图。
传统的薄膜陷波滤波器设计有四分之一波厚的交替折射率层，以产生破坏性和建设性干扰，过滤掉不需要的波长。这些设计有多达100层是很常见的。层数决定了从高透射向低透射过渡的陡度。设计本身也必须复杂，以消除通带区域中由于衬底、多层叠加和空气的等效光学导纳不匹配而产生的明显波纹。由于薄膜滤波器的设计，它们的角度非常敏感。性能随入射角的差异是一个众所周知的效应，并已被广泛研究[11］．
当入射角从薄膜滤波器的正常入射角增加时，传输缺口移向蓝色光谱，并远离所需的阻塞波长。随着滤波器陷波位移，它也开始分裂S-(TE)和P-(TM)偏振。
在本研究中提出的设计过程，减轻了传统薄膜滤波器提出的大部分问题。由于空气和金字塔结构之间的梯度过渡，超材料陷波滤波器在通带中不会出现波纹。此外，所提出的滤波器不是角敏感或极化敏感，因为等离子体谐振器能够在阻塞波长产生强烈的电共振，从而产生循环电流以有效地驱动磁响应。由于元原子的对称性和等效电感，强的电和磁响应导致了角稳定。为了证明这一点，使用本研究中描述的技术设计了一个窄带陷波滤波器示例。
应用演示:532nm窄带滤波器
532 nm滤光片是缺口滤光片的常用波长，在激光科学和激光眩光防护中有许多应用，其中光密度不需要完全衰减激光，而只是保护再次眩光效果。本文介绍了一种新型锥体-等离子体复合超材料的设计方法。
超材料窄带陷波滤波器的结构在图3．该设计展示了超材料滤波器的优异性能，如中所示图5．粒径为20 nm的银纳米粒子在532 nm波长处的LSPR约为2.36。与此折射率密切匹配的材料可用性是硫化锌(ZnS)。因此，匹配层可以确定，最接近支持给定折射率的材料是二氧化铪(HfO)2）.
图5:金字塔-等离子体复合超材料滤波器设计，显示无位移角性能。A.固定线路传输θ=0°，θ=30°和θ=60°。B.角研究的参数平均传输图。C.光密度与入射角的关系。D. CIE 1931彩色地图，展示了给定滤镜的颜色。E. IVT与入射角。
该超材料设计在增加入射角时没有蓝移，并且在接近100%透射率的通带区域没有波纹。集成视觉传输(IVT)是与滤波器的平均光谱灵敏度相关联的函数，与典型的人类视觉感知相一致，对于理解人眼如何与滤波器进行视觉交互非常重要。所述滤波器的平均IVT为~77%。光密度(OD)定义了介质阻碍传输光波的程度，是光学滤波器的常用测量标准。外径保持在1左右，并随着大入射角的增大而增大。所有滤光片都会经历一定程度的功能性视觉损伤，这也与滤光片的颜色有关。着色的标准分析是CIE 1931色图。由于人眼的个体差异，眼内视锥细胞的分布导致三刺激值依赖于观察者的视野。CIE 1931彩色地图代表了普通人在中央凹(眼睛中密集的视锥细胞区域)内2°弧内的色度反应;因此，为用户提供正确的着色响应的信心。 The colouration presents a magenta hue in the transmission mode and a Munsell green hue in the reflection mode.
制造业
金字塔结构超材料陷波滤波器保留了与先前发表的设计相似的制造难度[12］．然而，金字塔结构设计显示出比先前报道的10纳米以下的等离子体纳米颗粒更大的等离子体纳米颗粒[12］．24h嵌段共聚物(bcp)等纳米级自组装材料可在大范围内实现离散有序形貌，具有连续均匀自然周期，高阶自然间距长度为10 nm至200 nm [23］．这种自组装排列可以将等离子体纳米粒子组织成周期性阵列，多层制造堆叠形成三维组装过程[24］．此外，研究表明，bcp还可以为金字塔结构减反射涂层创建活性离子蚀刻掩模[25］．因此，通过充当粒子放置的临时薄膜和用于发展金字塔结构的RIE掩模，bcp可以简化制造过程。
随着技术需求对光学系统功能的要求不断提高，对光学薄膜滤光片性能的要求也越来越高。超材料已成为满足这种提高产量需求的突出途径。其中一个这样的滤波器是在高需求是光学陷波滤波器。我们的研究提出了一种新的方法来设计一种融合了金字塔结构和等离子体谐振器的超材料陷波滤波器。该方法能够根据金属纳米颗粒的局部表面等离子体共振来选择参考阻断波长。这种纳米颗粒嵌入在金字塔结构中。金字塔结构的功能允许在通带区域实现近乎完美的传输，同时谐振器在参考波长提供广角阻塞。本研究为新型高性能光学超材料滤光片的设计提供了一条有前景的途径，可用于广泛的应用领域。
由欧洲区域发展基金通过威尔士政府部分资助。
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