一種亞波長光柵結構呈色元件及含有該元件的呈色產(chǎn)品的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種亞波長光柵結構呈色元件及含有該元件的呈色產(chǎn)品，隸屬于人造結構色和微納米光學的技術范疇，可應用于結構色彩色裝飾、光學防偽、透明顯示、彩色顯示和成像等領域。
【背景技術】
[0002]通過入射光與物質(zhì)材料結構的相互作用包括干涉、衍射、散射等而非吸收所呈現(xiàn)的顏色被稱為結構色。結構色現(xiàn)象廣泛存在于自然界中并被眾多動植物所利用，這是大自然的杰作。而在人類社會中，利用特征尺寸接近或小于入射光波長的微納米結構對入射光波進行調(diào)控，也能夠創(chuàng)建(人造)結構色并使之具有與自然界中的結構色相似或不同的特殊光色現(xiàn)象。由于結構色擁有顏色鮮艷、永不褪色、光色可變等諸多優(yōu)點，使得它在彩色裝飾、光學防偽、透明顯示、彩色顯示和成像等領域具有很好的市場應用價值。
[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構彩色濾光片，該濾光片由透明基底和兩個介質(zhì)光柵層構成，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構的光學防偽元件，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結構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)構成的具有全方向結構色特征的多層疊層;專利申請CN201410196066.2提供了一種亞波長光柵波導結構真彩元件，該元件由介質(zhì)材料構成，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、藍反射光三基色;專利申請CN201410059313.4公開了一種亞波長光柵結構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，光學矢量衍射理論的逐步完善和微結構精加工技術的快速發(fā)展，使得人造結構色的創(chuàng)建和實際應用，無論是在理論建模設計上還是在制作上，逐步成為可能。如何利用尺寸極小的微納米結構的特殊光學效應，使之展現(xiàn)與眾不同且可控的結構呈色顏色現(xiàn)象，無論是利用波導共振還是表面等離子激勵以及光子晶體效應，目前來看，仍然是一個很具有挑戰(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構呈色元件。通過對該元件內(nèi)不同結構功能層微結構的參數(shù)設計和匹配，能夠實現(xiàn)對可見光波段(0.4-0.7μπι)內(nèi)任意波長及波段的TE和TM模光的光譜進行分別濾波調(diào)控，以及對TE和TM模光的光譜進行濾波綜合調(diào)控，獲得呈色質(zhì)量高、種類豐富、效果特殊的可控人造結構色效應。
[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構呈色元件。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:
[0008]一種亞波長光柵結構呈色元件，由下至上依次包括四個核心結構功能層: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;所述的結構功能層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相對層5的水平移位Δ < Λ ';所述功能層3由透明介質(zhì)Π2構成，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)微結構的參數(shù)設計和匹配，可實現(xiàn)對可見光波段(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之間的微結構參數(shù)匹配，可以實現(xiàn)對特定波長及波段TE和TM模光的光譜進行綜合濾波調(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]上述技術方案中，優(yōu)選地，所述的結構功能層5內(nèi)介質(zhì)r/4的寬度不大于所述結構功能層4的介質(zhì)Π3的寬度。
[0010]上述技術方案中，優(yōu)選地，所述的等離子金屬Metal為鋁(Al)、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)及其合金。
[0011]上述技術方案中，所述的結構功能層5的上方可以進一步設置透明介質(zhì)保護層6。
[0012]上述技術方案中，所述的結構功能層2的下方可以進一步設置介質(zhì)基材7，包括透明基材、不透明基材及彩色基材。
[0013]上述技術方案中，所述的結構功能層5的上方可以進一步設置透明介質(zhì)保護層6，同時在所述的結構功能層2的下方進一步設置介質(zhì)基材7，包括透明基材、不透明基材及彩色介質(zhì)基材。
[0014]上述技術方案中，所述的亞波長光柵結構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構呈色元件。
[0015]上述技術方案中所述的保護層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]由于上述技術方案的運用，本發(fā)明與現(xiàn)有的呈色技術相比，具有下列特點:
[0017]1.本發(fā)明提供的結構呈色元件，含有超薄亞波長金屬-介質(zhì)光柵層，厚度僅為幾十個納米。當表面等離子激元被激勵耦合共振時，該光柵層會使特定波長及波段的TM偏振入射光(振動方向與溝槽垂直)出現(xiàn)異常的透射極低特性。本發(fā)明的結構呈色元件即是利用這一特殊的光學行為，實現(xiàn)了對TM模光的可在整個可見光波段內(nèi)進行調(diào)控的透射減色濾波功會K。
[0018]2.本發(fā)明提供的結構呈色元件，含有在光柵結構上相互匹配的兩個亞波長介質(zhì)光柵層，在特定條件下能夠產(chǎn)生光柵共振效應，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。本發(fā)明的結構呈色元件即是利用這一特殊的光學行為，實現(xiàn)了對TE模光的可在整個可見光波段進行調(diào)控的反射濾波功能。
[0019]3.本發(fā)明提供的結構呈色元件，具有四個相互關聯(lián)的結構功能層。通過不同結構功能層內(nèi)微結構的參數(shù)設計和匹配，能夠實現(xiàn)特殊效果的結構色彩及其變色效果，包括色光加色呈色、色光減色呈色、TE和/或TM偏振呈色、結構色變色效應等。
[0020]4.本發(fā)明提供的結構呈色元件，其結構功能層2-3主要對入射的T