《Optics and Lasers in Engineering》：Broadband-tunable multispectral imaging using phase-change-based linear variable filters
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本文提出并数值研究了基于Sb?S?活性介质的法布里-珀罗腔相位变化线性可变滤光片（LCVF），通过厚度调制实现可见光至近红外宽频带调谐，共振灵敏度达1.25 nm/nm，线性滤波范围400 nm，显著优于传统介质LCVF，且具备高角度容忍性（≥80°）。采用深度神经网络加速设计优化。
Bowei Zhang|Xin Xie|Lin Li|Kuo Zhao|Sandeep Kumar Chamoli
中国重庆电子科技职业学院
摘要
我们提出了一种基于Fabry–Pérot腔的相变线性可变滤波器（LCVF），该滤波器使用Sb?S?作为活性介质。由于Sb?S?的非晶态和晶态之间具有较大的折射率差异，该器件能够在可见光和近红外范围内实现宽带可调谐。仿真结果显示，每纳米厚度调制对应的共振灵敏度约为1.25纳米，超过了传统介电LCVF的性能。在非晶态下，800纳米以下区域具有较高的透射率；而在晶态下，可观察到明显的共振现象，共振范围可达1000纳米，从而实现了约400纳米的线性滤波范围，远高于以往报道的设计。角度容忍度分析进一步证实，在入射角度高达约80°的情况下，滤波器的共振行为依然稳定，这归因于Sb?S?的高折射率。为了加速设计优化，我们利用传递矩阵方法（TMM）的仿真数据训练了一个深度神经网络（DNN）作为替代模型，从而能够快速预测和逆向设计透射光谱。这些发现表明，基于Sb?S?的相变LCVF具有动态可调谐、宽带以及角度抗干扰的光谱滤波特性，在多光谱成像、光通信和自适应传感系统中具有广泛应用潜力。
引言
光学滤波器在成像、光谱学和光通信系统中发挥着关键作用，精确控制传输波长至关重要[[1], [2], [3], [4]]。传统上，液晶可调谐滤波器（LCTF）因其电调谐双折射特性而被广泛使用，能够在可见光和近红外区域实现动态光谱选择[[5], [6], [7]]。然而，LCTF存在一些固有局限性，如切换速度较慢、依赖于偏振方向，以及在实现紧凑型器件集成方面存在挑战[8,9]。这些限制阻碍了它们在高速生物成像[[10], [11], [12]]、高光谱显微镜[13,14]和便携式传感平台[[15], [16], [17]]等新兴领域的应用。线性彩色可变滤波器（LCVF）提供了一种替代方案，它们通过改变光路长度来实现横向维度上的波长选择性[18,19]。文献中报道了多种实现LCVF厚度梯度的方法[18,20,21]，其中掠射角沉积是一种非常成功的技术。
与LCTF不同，LCVF不需要外部驱动电压，而是提供了一种静态但高度稳健的光谱滤波机制，只需通过横向移动即可将其集成到成像系统中实现连续光谱扫描。这种固有的简单性和机械可调谐性使得LCVF非常适合紧凑型光学系统，但其广泛应用受到材料限制和制造挑战的制约，难以实现宽带和高透射率性能[18,[21], [22], [23]]。以往的宽带滤波器是通过组合不同材料组成、结构和制造工艺的多个滤波器来实现的，这大大增加了宽带LCVF设计的复杂性[24]。此外，之前的LCVF对入射角度非常敏感，且由于自由光谱范围（FSR）的限制，其线性滤波范围（LFR）相对较窄。
像Sb?S?、Ge?Sb?Te?（GST）和VO?这样的相变材料（PCMs）在各种光谱范围内的可调谐光子器件中受到了广泛关注[25]。其中，Sb?S?由于其非晶态和晶态之间较大的可逆折射率差异以及在可见光和近红外区域低的光学损耗而成为有前景的可调谐光子器件候选材料[26,27]。GST在短波红外（SWIR）区域表现优异，适用于光学生物传感和近红外光子集成[28]；而VO?在近红外区域具有强吸收特性，通过绝缘体-金属相变在中红外区域实现优异的可调谐性，可用于纳米结构超表面设计中的发射率和吸收率动态控制[[29], [30], [31]]。Sb?S?可以通过射频磁控溅射技术制备[32]。将PCMs集成到LCVF设计中，可以创造出一种新型的可重构光谱滤波器，既保留了传统LCVF的空间波长选择性，又实现了快速、非易失性的透射光谱调节。这类基于PCMs的LCVF有望克服液晶技术的瓶颈，提供超快的切换速度、更好的热稳定性和与平面纳米光子平台的无缝集成[25]。在本研究中，我们提出了一种基于PCMs的LCVF，并通过数值仿真对其进行了研究，证明它可以作为传统LCTF的紧凑型高性能替代方案。通过调控PCMs层在基底上的厚度变化，可以实现空间依赖的透射光谱，从而实现宽带和可调谐滤波。由于Sb?S?的高折射率[26]，可以构建无彩虹效应的腔体[33]，实现宽频带和高达400纳米的LFR，远高于以往报道的设计（如Peng等人的设计，LFR为156纳米）。这一概念利用了PCMs的固有优势——即大的折射率可调谐性和非易失性，为下一代光谱滤波器件在多光谱成像、生物医学诊断、自适应光学和光计算等领域的应用开辟了新的途径。
结果与讨论
所提出的宽带可调谐多光谱滤波器的工作原理是将PCMs集成到LVF平台上。当受到宽带入射光照射时，层状结构的厚度梯度会空间分散不同的光谱成分，使得器件上的每个位置对应一个特定的传输带。在晶态下，PCMs表现出较高的折射率，在可见光谱范围内产生清晰的通带。
结论与展望
本研究展示了一种利用Sb?S?薄膜厚度依赖的Fabry–Pérot共振效应的相变线性可变滤波器（LCVF）。实验结果证实，非晶态和晶态均表现出强烈的、系统性的波长可调谐性，共振灵敏度约为1.25纳米/纳米，线性滤波范围约为400纳米。这两种相的互补光谱窗口使得滤波器能够连续覆盖从可见光到近红外区域的光谱范围。
研究资助
本项目得到了重庆市教育委员会科学技术研究计划的支持（项目编号：KJQN202203101）。
作者贡献
所有作者对本文的全部内容负责，并同意将其提交给期刊，审阅了所有结果并批准了最终版本的手稿。
数据可用性
由于本研究中未生成或分析任何数据集，因此不适用数据共享。
CRediT作者贡献声明
Bowei Zhang：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草案，方法学研究，概念构思。Xin Xie：研究工作，数据分析，概念构思。Lin Li：数据分析，数据管理。Kuo Zhao：方法学研究，研究工作，数据分析。Sandeep Kumar Chamoli：软件开发，概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
