一種亞波長光柵結(jié)構(gòu)呈色元件及含有該元件的呈色產(chǎn)品的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種亞波長光柵結(jié)構(gòu)呈色元件及含有該元件的呈色產(chǎn)品，隸屬于人造結(jié)構(gòu)色和微納米光學(xué)的技術(shù)范疇，可應(yīng)用于結(jié)構(gòu)色彩色裝飾、光學(xué)防偽、透明顯示、彩色顯示和成像等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]通過入射光與物質(zhì)材料結(jié)構(gòu)的相互作用包括干涉、衍射、散射等而非吸收所呈現(xiàn)的顏色被稱為結(jié)構(gòu)色。結(jié)構(gòu)色現(xiàn)象廣泛存在于自然界中并被眾多動(dòng)植物所利用，這是大自然的杰作。而在人類社會(huì)中，利用特征尺寸接近或小于入射光波長的微納米結(jié)構(gòu)對(duì)入射光波進(jìn)行調(diào)控，也能夠創(chuàng)建(人造)結(jié)構(gòu)色并使之具有與自然界中的結(jié)構(gòu)色相似或不同的特殊光色現(xiàn)象。由于結(jié)構(gòu)色擁有顏色鮮艷、永不褪色、光色可變等諸多優(yōu)點(diǎn)，使得它在彩色裝飾、光學(xué)防偽、透明顯示、彩色顯示和成像等領(lǐng)域具有很好的市場應(yīng)用價(jià)值。
[0003]專利CN200810036676.0公開了一種多峰窄帶反射濾光片，該濾光片由多層介質(zhì)材料交疊構(gòu)成，可控制反射光譜峰的寬度和位置;專利CN200910028285.9公開了一種亞波長光柵結(jié)構(gòu)彩色濾光片，該濾光片由透明基底和兩個(gè)介質(zhì)光柵層構(gòu)成，能夠使透過的光具有光譜峰及寬波段濾波功能;專利CN200910209648.9公開了一種包括介質(zhì)光柵層的光學(xué)防偽元件，可使之反射光擁有顏色變化特征；專利CN201110410055.6公開了一種包括亞波長浮雕結(jié)構(gòu)的光學(xué)防偽元件，能夠產(chǎn)生顏色及顏色變化特征;專利CN201110377643.4公開了一種包括亞波長金屬-介質(zhì)光柵的反射偏振光變膜，其反射光具有偏振光變性能；專利申請CN201210388245.7公開了一種偏振無關(guān)的窄帶彩色濾光片，它由基底層、兩層薄膜層和單層介質(zhì)光柵構(gòu)成，其反射光譜具有峰及窄帶濾波性能；專利申請CN201310027301.9公開了一種具有七個(gè)結(jié)構(gòu)層的亞波長光柵真彩元件，能夠產(chǎn)生較為豐富的顏色外貌；專利CN201310689440.8公開了一種對(duì)入射角度不敏感的顏色介質(zhì)濾光片，包括基底和基底上布置的正六邊形排列的圓柱形光柵，該濾光片利用二維介質(zhì)光柵的諧振效應(yīng)使之反射光譜具有峰及窄帶濾波特性;專利申請CN201410693385.4公開了一種由金屬和介質(zhì)構(gòu)成的具有全方向結(jié)構(gòu)色特征的多層疊層;專利申請CN201410196066.2提供了一種亞波長光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)真彩元件，該元件由介質(zhì)材料構(gòu)成，包括襯底層、薄膜層和單光柵層，能夠從入射的自然光中分離出紅、綠、藍(lán)反射光三基色;專利申請CN201410059313.4公開了一種亞波長光柵結(jié)構(gòu)紅外雙波段馬賽克陣列濾光片，該濾光片由硅基底和位于基底上的亞波長光柵陣列構(gòu)成，能夠使透過的光擁有光譜峰及窄帶濾波特征。
[0004]近些年，光學(xué)矢量衍射理論的逐步完善和微結(jié)構(gòu)精加工技術(shù)的快速發(fā)展，使得人造結(jié)構(gòu)色的創(chuàng)建和實(shí)際應(yīng)用，無論是在理論建模設(shè)計(jì)上還是在制作上，逐步成為可能。如何利用尺寸極小的微納米結(jié)構(gòu)的特殊光學(xué)效應(yīng)，使之展現(xiàn)與眾不同且可控的結(jié)構(gòu)呈色顏色現(xiàn)象，無論是利用波導(dǎo)共振還是表面等離子激勵(lì)以及光子晶體效應(yīng)，目前來看，仍然是一個(gè)很具有挑戰(zhàn)性的課題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種亞波長光柵結(jié)構(gòu)呈色元件。通過對(duì)該元件內(nèi)不同結(jié)構(gòu)功能層微結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)和匹配，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)可見光波段(0.4-0.7μπι)內(nèi)任意波長及波段的TE和TM模光的光譜進(jìn)行分別濾波調(diào)控，以及對(duì)TE和TM模光的光譜進(jìn)行濾波綜合調(diào)控，獲得呈色質(zhì)量高、種類豐富、效果特殊的可控人造結(jié)構(gòu)色效應(yīng)。
[0006]本發(fā)明的另一目的是提供一種呈色產(chǎn)品，包括上述的亞波長光柵結(jié)構(gòu)呈色元件。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0008]一種亞波長光柵結(jié)構(gòu)呈色元件，由下至上依次包括四個(gè)核心結(jié)構(gòu)功能層:亞波長金屬-介質(zhì)光柵層2、透明介質(zhì)層3、亞波長介質(zhì)光柵層4和亞波長介質(zhì)光柵層5;所述的結(jié)構(gòu)功能層2由透明介質(zhì)m和等離子金屬(用“Metal”表示)沿X軸方向間隔排列構(gòu)成，材料排列周期Λ為0.05-0.35μπι且介質(zhì)m的寬度與Λ的比值f為0.35-0.85，層2的深度為0.002-0.045μηι，層2相對(duì)層5的水平移位Δ < Λ ';所述功能層3由透明介質(zhì)Π2構(gòu)成，深度為0.001-1 Ομπι;所述功能層4和5分別由低折射率透明介質(zhì)M、高折射率透明介質(zhì)r/ 3，和高折射率透明介質(zhì)Y 4、低折射率透明介質(zhì)m，沿X軸方向間隔排列構(gòu)成，材料排列周期Λ7為0.1 -0.Am，介質(zhì)η3(和!!^傻度與八彳比值^ (和f〃)為0.3-0.7，介質(zhì)1/3、113以及介質(zhì)1/4、114之間的折射率差均不小于0.35，層4相對(duì)層5的水平移位Δ ' < f〃 Λ八2，層4和5的深度d3、d4為0.05-0.2μπι且cb+ck介于0.15-0.3μηι間^斤述的介質(zhì)^/ 4'r/ 3，ru、n3的折射率分別為1.2-2.6,1.8—2.6和1.2-2.0。通過所述功能層2-3(和層4-5)內(nèi)微結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)和匹配，可實(shí)現(xiàn)對(duì)可見光波段(0.4-0.7μπι)內(nèi)任意波長及波段TM(和TE)模光的光譜進(jìn)行濾波分別調(diào)控，使之反射光和/或透射光呈現(xiàn)特定的顏色、顏色變化和/或偏振特性;而通過所述功能層2-3和4-5之間的微結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定波長及波段TE和TM模光的光譜進(jìn)行綜合濾波調(diào)控，使之呈現(xiàn)與眾不同的顏色、顏色變化和/或偏振特性。
[0009]上述技術(shù)方案中，優(yōu)選地，所述的結(jié)構(gòu)功能層5內(nèi)介質(zhì)r/4的寬度不大于所述結(jié)構(gòu)功能層4的介質(zhì)Π3的寬度。
[0010]上述技術(shù)方案中，優(yōu)選地，所述的等離子金屬M(fèi)etal為鋁(Al)、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)及其合金。
[0011]上述技術(shù)方案中，所述的結(jié)構(gòu)功能層5的上方可以進(jìn)一步設(shè)置透明介質(zhì)保護(hù)層6。
[0012]上述技術(shù)方案中，所述的結(jié)構(gòu)功能層2的下方可以進(jìn)一步設(shè)置介質(zhì)基材7，包括透明基材、不透明基材及彩色基材。
[0013]上述技術(shù)方案中，所述的結(jié)構(gòu)功能層5的上方可以進(jìn)一步設(shè)置透明介質(zhì)保護(hù)層6，同時(shí)在所述的結(jié)構(gòu)功能層2的下方進(jìn)一步設(shè)置介質(zhì)基材7，包括透明基材、不透明基材及彩色介質(zhì)基材。
[0014]上述技術(shù)方案中，所述的亞波長光柵結(jié)構(gòu)呈色元件還包括將該呈色元件埋入到透明介質(zhì)8中所形成的嵌入或埋入式亞波長光柵結(jié)構(gòu)呈色元件。
[0015]上述技術(shù)方案中所述的保護(hù)層6、介質(zhì)基材7和介質(zhì)8，可選用二氧化硅、二氧化鋯、二氧化鈦、五氧化二鉭、五氧化二鋯、聚對(duì)苯二甲酸已二醇酯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚丙烯等以及其他透明樹脂材料。
[0016]由于上述技術(shù)方案的運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有的呈色技術(shù)相比，具有下列特點(diǎn):
[0017]1.本發(fā)明提供的結(jié)構(gòu)呈色元件，含有超薄亞波長金屬-介質(zhì)光柵層，厚度僅為幾十個(gè)納米。當(dāng)表面等離子激元被激勵(lì)耦合共振時(shí)，該光柵層會(huì)使特定波長及波段的TM偏振入射光(振動(dòng)方向與溝槽垂直)出現(xiàn)異常的透射極低特性。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)呈色元件即是利用這一特殊的光學(xué)行為，實(shí)現(xiàn)了對(duì)TM模光的可在整個(gè)可見光波段內(nèi)進(jìn)行調(diào)控的透射減色濾波功會(huì)K。
[0018]2.本發(fā)明提供的結(jié)構(gòu)呈色元件，含有在光柵結(jié)構(gòu)上相互匹配的兩個(gè)亞波長介質(zhì)光柵層，在特定條件下能夠產(chǎn)生光柵共振效應(yīng)，使特定波長及波段的TE偏振光產(chǎn)生特殊的光譜峰共振和峰分裂效應(yīng)。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)呈色元件即是利用這一特殊的光學(xué)行為，實(shí)現(xiàn)了對(duì)TE模光的可在整個(gè)可見光波段進(jìn)行調(diào)控的反射濾波功能。
[0019]3.本發(fā)明提供的結(jié)構(gòu)呈色元件，具有四個(gè)相互關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)功能層。通過不同結(jié)構(gòu)功能層內(nèi)微結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)和匹配，能夠?qū)崿F(xiàn)特殊效果的結(jié)構(gòu)色彩及其變色效果，包括色光加色呈色、色光減色呈色、TE和/或TM偏振呈色、結(jié)構(gòu)色變色效應(yīng)等。
[0020]4.本發(fā)明提供的結(jié)構(gòu)呈色元件，其結(jié)構(gòu)功能層2-3主要對(duì)入射的T