近日，应用光学国家重点实验室张宇昊博士研究生提出了一种长波红外波段8-12μm (25 THz-37.5 THz)的窄带反射式滤波器。该滤波器基于不对称的六边形结构，通过旋转六边形结构的不对称角度为20°，实现在7.99μm 处的单个窄带共振，同时具有92%的高反射率和200的Q值。通过比例系数调整结构参数可以实现8-12μm的波段探测，可以用于生物传感和高光谱成像系统中，在某些情况下实现高灵敏度、高分辨率的高光谱成像检测，为设计类似的功能设备提供参考。
01 研究背景
传统的窄带滤波器由多层薄膜构成，在每层膜的界面上多次反射和透射用于实现光学干涉和线性叠加，因此为了获得性能良好的滤波器，必须设计多层膜系统并且每层膜的厚度并不相同。当需要在长波红外中设计滤波器时，由于需要控制数十层或更多层膜的厚度，传统的窄带滤波器常常遭受到制造困难和复杂的困扰。
近年来，工作在长波红外的窄带滤波器已经可以使用基于导模共振(GMR)和表面等离激元共振(SPR)的方法。与薄膜不同，基于亚波长结构的滤光器由较少的层组成，具有厚度薄，材料成本低的优点。但是，由于GMR和SPR中金属材料的使用，通常在宽光谱范围内会出现多个透射或反射峰。并且，由于金属中光的强烈吸收，通常伴随着宽谱线宽度，且透射或反射率低于80%，这不利于窄带滤光器的设计。
02 光谱反应
为了解决上述问题，基于低折射率介电材料的超表面由于其固有损耗低以及在长波红外波段中控制光的传播和定位的独特能力而成为更好的选择。
我们设计了一个如图1所示的微米级的两层周期性结构。通过旋转六边形结构，破坏了晶胞的面内反对称性。这里的不对称参数是六边形的y轴和长轴之间的角度β。通过破坏面内反演对称性(x，y)→(-x，-y)，在7.99μm处获得高Q反射峰，如图2所示。
图1. 提出的反射式滤波器的结构示意图，其中X = 5.6μm，Y = 3.2μm，A ＝2.8μm，B ＝1.3μm，h的值(六边形的厚度)设置为0.7μm， β是六边形结构的长轴与y轴之间的角度，β＝ 20°
图2.(a)垂直入射时滤光器的反射光谱 ，插图为共振峰的放大图；(b)该结构在7.99μm时的电场分布
通过比例系数的调整可以实现共振峰位置的平移，并且Q值基本保持稳定，如图3所示。
图3. (a)通过更改缩放比例k获得的反射光谱的对比图；(b)通过改变k获得的峰值位置和相关的Q值对比图
03 特征参数分析
经仿真得到的该滤波器的特征参数分析如下表。
滤波器的特征参数分析 | |
滤波范围 | 8-12μm (25-37.5 THz) |
平均反射率 | >90% |
移相时间 |
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品质因数 | >300 |
最大Q值 | 1370 |
平均Q值 | 200 |
插入损耗 |
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入射角度容忍度 | 0-45度 |
04 结 语
所提出的滤波器还可以用于生物传感和高光谱成像系统中，以在某些情况下实现高灵敏度，高分辨率的高光谱成像检测，为设计类似的功能设备提供了参考。以上研究工作以《A long wavelength infrared narrow-band reflection filter based on an asymmetric hexagonal structure》为题发表在《Optics Communications》上，DOI：https://doi.org/10.1016/j.optcom.2020.126264
