撰稿| 刘清权
窄带滤波器是一种能只让单一波长的光透过的光学器件，广泛应用于光通信、气体探测、辐射测温、结构色、光谱仪等诸多领域，有着极为重要的应用价值。传统的窄带滤波器分为两种：金属-介质法布里珀罗窄带滤波器（以下简称：金属-介质滤波器）和全介质法布里珀罗窄带滤波器（以下简称：全介质滤波器）。其中金属-介质滤波器以金属作为反射镜，具有很宽的截止带，但是由于金属吸收的存在，其窄带透过率随波长增加而急剧降低，在1.55μm的通讯波长附近仅10%左右；而全介质滤波器则几乎没有吸收，理论上可达到100%的透过率，但是其截止带宽和截止深度都十分有限，如果想拓宽截止带，则需另外叠加几十甚至上百层的膜层，极大地增加了工艺的制造难度、制备时间和制作成本。
随着超材料概念的提出和微纳加工技术的进一步发展，许多新颖的窄带滤波器被提出，比如金属小孔、金属方块阵列、二维光子晶体平板等。然而，这些滤波器依然无法很好地解决截止带宽和透过率的问题。举例来说，基于金属小孔和方块阵列的滤波器的透射带宽较宽且透过率不高，基于二维光子晶体平板的窄带滤波器不能很好地抑制旁通带。
2007年的时候，英国杜伦大学的Kaliteevski教授提出了一个Tamm等离子激元(Tamm Polariton Plasmon, TPP)的概念，他将金属和全介质分布式布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflector, DBR)相结合，获得窄带滤光的效果。然而，由于金属的强烈吸收，使得该方法更适合用来做窄带吸收器，而非窄带透射的滤波器。
本团队提出了一种基于双TPPs耦合诱导透射模型，很好地解决目前窄带滤波器透射带宽、透过率和带外截止范围无法兼顾的难题，如图1所示。其中，图1(a)为单TPP模型；图1(b)为双TPPs模型，即，在银层的下方对称放置一个DBR，从而保证银层的上下表面都能激发出TPPs；图1(c)为两种模型的透过率，可以发现，在反射率都为0的情况下，双TPPs模型的透过率远远高出单TPP模型。这说明，双TPPs模型能够显著降低银层的吸收。
为了进一步分析银层吸收降低的原因，我们对金属银层附近的电场进行了计算，结果如图1(d)所示，其中红色实线是双TPPs的电场分布，黑色虚线是单TPP的电场分布，蓝色虚线是裸银层的电场分布。可以发现，单TPP相对于裸银层而言，只是增强了银层处的电场，并没有改变电场的分布形式，因此会有很强的吸收；而双TPPs则改变了电场分布的线形，让银层内部的电场处于一个谷点，从而极大地减少了银层的吸收。
双TPPs产生吸收谷点的原因可以通过谐振子耦合模型来解释，如图1(e)所示。激发的两个TPP可以等效为两个谐振子，耦合方程如公式(1)所示：
其中
和
分别是谐振子的谐振频率，
和
是弛豫系数，
为耦合系数，
和
是左右两谐振子的振幅，
为入射电场。
和 
的频率相等时，通过求解方程(1)，我们可以发现两个特性：第一，其本征频率将劈裂成两个，低频的被称为偶模，高频的被称作奇模，而劈裂的程度和耦合系数成负相关；第二，在本征频率处，左边谐振子的能量能有效传递给右边谐振子。从图1(c)的反射谱中就可以看出，对于红色虚线而言，其有两个反射谷，波长较低的地方为奇模，波长较高的地方为偶模。这两个点处的电场分布分别绘制如图1(f)所示，由于奇模的电场成奇对称分布，因此其在金属层处的电场强度低，从而相比于偶模还会有更低的吸收。
简而言之，双TPPs模型就是利用谐振子耦合效应，减少了金属对光子能量的吸收，从而获得很高的透过率；同时，又由于金属对其他波长的光具有很好的屏蔽效果，因此能够轻松制备出高透过、宽带外截止的窄带滤波器。
基于上述理论，我们制备了基于双TPPs的耦合诱导透射滤波器，其结构如图2(a)所示，其膜系为Sub|(HL)6 L M L (LH)6,其中Sub代表硅衬底，H是厚度为182nm的Ta2O5, L是厚度为267nm的SiO2,M是60nm厚度的银层。所制备的窄带滤波器的实物图和SEM照片分别如图2(b-c)所示。而透过率则如图2(d-e)所示，其中红色实线为双TPPs滤波器透过率，灰色实线为全介质窄带滤波器的透过率。从透过率示意图中可以发现，我们的滤波器的窄带透过率高达46%，半峰宽为10nm，截止带宽可以覆盖从深紫外到远红外，截止深度优于全介质滤波器20倍，具有优异的性能。
图1 单/双Tamm等离子激元模型。(a)单TPP模型；(b)双TPPs模型；(c)透过率示意图，其中黑线为单TPP的透、反射率，红线为双TPPs的透、反射率；(d)金属层附近的电场分布图，其中黄色区域为金属层，黑色虚线为单TPP的电场分布图，红色实线为双TPPs的电场分布图，蓝色虚线为裸银层的电场分布；(e)耦合模型；(f) 奇模（红色实线）和偶模（黑色虚线）的电场分布示意图。
图2 双TPPs的实验结果。(a)双TPPs模型；(b)双TPPs的样品照片；(c)SEM照片；(d-e)透过率测试结果，其中红线为双TPPs样品的透过率，灰色虚线为全介质窄带滤波器的透过率。
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