專利名稱：一種基于熒光成像的有源聚合物平面波導(dǎo)傳播常數(shù)測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光波導(dǎo)器件的本征參數(shù)測量與計(jì)算的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于熒光成像的有源聚合物平面波導(dǎo)傳播常數(shù)測量儀。
背景技術(shù)：
光學(xué)信息處理系統(tǒng)的集成化和微型化使聚合物平面波導(dǎo)依靠其易加工、低損耗等優(yōu)點(diǎn)迅速發(fā)展，而光波導(dǎo)器件的基本屬性之一傳播常數(shù)更在集成光學(xué)的光器件設(shè)計(jì)與研究中不可或缺。有源物質(zhì)(發(fā)光粒子)摻雜于平面波導(dǎo)中，可有效補(bǔ)償波導(dǎo)傳輸損耗，也用于發(fā)展各種有源波導(dǎo)光學(xué)器件，如波導(dǎo)激光器與波導(dǎo)放大器。因此研究有源物質(zhì)聚合物波導(dǎo)中各種導(dǎo)波傳播常數(shù)的測量方法具有重要應(yīng)用價(jià)值?，F(xiàn)有較為成熟的測量平面波導(dǎo)傳播常數(shù)的方法主要是基于棱鏡的角度掃描法(M線法)，并求解超越方程求出波導(dǎo)參數(shù)。其主要存在的問題為1、過程繁瑣，測量速度慢。M線法測量波導(dǎo)的有效折射率需要特定的棱鏡耦合儀 (θ -2 θ儀)，并且需要角度的逐點(diǎn)掃描，速度慢，耗時(shí)長，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)觀測。2、空間分辨率低。其結(jié)構(gòu)只能在一維方向激勵(lì)共振導(dǎo)模，同時(shí)沒有高數(shù)值孔徑物鏡聚焦系統(tǒng)，因而空間分辨率較低。3、局限性。此種方法不易直接計(jì)算表征傳播常數(shù)的虛部，即導(dǎo)波的傳播長度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種基于熒光成像的有源聚合物平面波導(dǎo)傳播常數(shù)測量儀，其結(jié)構(gòu)簡單緊湊，空間分辨率高，無需角度掃描，可實(shí)時(shí)監(jiān)測，適合于平面波導(dǎo)傳播常數(shù)的高效、完整測量。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案如下一種基于熒光成像的有源聚合物平面波導(dǎo)傳播常數(shù)測量儀其包括激光光源， 擴(kuò)束透鏡組，分束鏡，高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡，折射率匹配油，平面波導(dǎo)，濾光片，凸透鏡和CXD圖像傳感器；其中，所述的有源聚合物平面波導(dǎo)，是由玻璃基底，金屬薄膜，摻有源物質(zhì)的聚合物薄膜以及上方空氣層構(gòu)成的四層結(jié)構(gòu)，其制備過程為在玻璃基底上蒸鍍或?yàn)R射金屬薄膜，并在金屬薄膜上旋涂有源物質(zhì)摻雜的聚合物溶液，形成有源物質(zhì)聚合物薄膜，其中，有源物質(zhì)為熒光分子；所述的激光光源所發(fā)射激光，通過擴(kuò)束透鏡組擴(kuò)束后經(jīng)反射鏡、高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡，折射率匹配油，以寬角度范圍聚焦輻照到有源聚合物薄膜上，聚合物薄膜中的熒光分子受激輻射熒光，熒光耦合成傳輸于平面波導(dǎo)中的導(dǎo)波；在某些特定角度下，傳輸?shù)膶?dǎo)波的部分能量從玻璃基底一側(cè)泄露輻射出波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，經(jīng)顯微物鏡收集，通過分束鏡、濾光片及凸透鏡后在CXD圖像傳感器上呈現(xiàn)出不同半徑大小的亮環(huán)，這些特定角度與后焦面光學(xué)像上的亮環(huán)半徑一一對(duì)應(yīng)，同時(shí)與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中存在的各種模式傳播常數(shù)的實(shí)部一一對(duì)應(yīng)，通過分析熒光像中亮環(huán)的半徑及已知的顯微物鏡數(shù)值孔徑，計(jì)算出導(dǎo)模傳播常數(shù)的實(shí)部；通過后焦面上的反射光場光學(xué)像計(jì)算獲得傳播常數(shù)的虛部，其擬合計(jì)算步驟如下讀取圖像，記錄其中沿著直徑方向的熒光強(qiáng)度分布曲線，并用洛倫茲型曲線對(duì)其擬合， 求出直徑方向上熒光強(qiáng)度分布曲線的半高寬，計(jì)算出傳播長度；它對(duì)應(yīng)于導(dǎo)模傳播常數(shù)的虛部O進(jìn)一步的，所述的激光光源通過擴(kuò)束后，覆蓋整個(gè)高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡的入瞳，充分利用物鏡的高數(shù)值孔徑，獲得較小尺寸的聚焦光斑，從而提高測量的空間分辨率， 實(shí)現(xiàn)微區(qū)測量；同時(shí)利用同一物鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)熒光信號(hào)的收集與成像，簡化了儀器結(jié)構(gòu)。本發(fā)明技術(shù)方案的原理為激發(fā)光經(jīng)高數(shù)值孔徑顯微鏡聚焦照射于有源聚合物平面波導(dǎo)，使摻雜于其中的有源物質(zhì)(熒光分子)發(fā)射熒光，利用成像的方法，拍攝熒光在物鏡后焦面上的強(qiáng)度分布圖像，通過對(duì)圖像上光強(qiáng)分布進(jìn)行分析，推導(dǎo)出存在于此平面波導(dǎo)中各種導(dǎo)模的傳播常數(shù)。導(dǎo)模的傳播常數(shù)包含實(shí)部和虛部兩部分，實(shí)部對(duì)應(yīng)于導(dǎo)模的有效折射率，而虛部對(duì)應(yīng)于此種模式在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的傳播長度。具體的，所述激光光源，通過所設(shè)計(jì)的光路，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)聚焦照射平面波導(dǎo)，在微區(qū)內(nèi)激發(fā)熒光，熒光偶合成平面波導(dǎo)中傳輸?shù)膶?dǎo)波。由于高折射率玻璃基底的存在，在某些特定的角度下，這些導(dǎo)波在傳輸?shù)倪^程中，有一部分能量會(huì)從玻璃基底一端泄露輻射到遠(yuǎn)場，進(jìn)而在位于油浸顯微物鏡后焦面上產(chǎn)生各種不同半徑的亮環(huán)。計(jì)算亮環(huán)半徑(峰峰值的一半)與視場半徑(r = f -nsin θ為亮環(huán)半徑，f為高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡的焦距，η為折射率匹配油的折射率，θ為導(dǎo)模的激發(fā)角，R= f ^sinem為視場半徑，θω最大視角，對(duì)應(yīng)于顯微物鏡的數(shù)值孔徑)的比值，計(jì)算出不同導(dǎo)模的激發(fā)角或波數(shù)，即對(duì)應(yīng)于傳播常數(shù)的實(shí)部。進(jìn)一步的，對(duì)輻射的熒光沿亮環(huán)直徑方向的強(qiáng)度分布進(jìn)行洛倫茲型曲線擬合。通過計(jì)算曲線的半高全寬W，得到導(dǎo)波的傳播距離(W—1)，即對(duì)應(yīng)于傳播常數(shù)的虛部。本發(fā)明和傳統(tǒng)技術(shù)相比的優(yōu)勢為1、結(jié)構(gòu)簡單顯微物鏡在此裝置中既被用于聚焦激發(fā)光，實(shí)現(xiàn)在微區(qū)內(nèi)激發(fā)各種導(dǎo)模，也被用來收集熒光進(jìn)行成像。通過CCD對(duì)物鏡后焦面成像，利用熒光像直接測量和計(jì)算所有導(dǎo)模的傳播常數(shù)，其結(jié)構(gòu)簡單緊湊；2、高效率無需進(jìn)行角度掃描，直接通過成像的方法進(jìn)行測量，其測量時(shí)間短，操作方便，效率高；同時(shí)可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測外界因素，如溫度、濕度等對(duì)導(dǎo)模有效折射率的影響；3、高分辨率利用油浸顯微物鏡的高數(shù)值孔徑特性，可實(shí)現(xiàn)高空間分辨率測量；4、模式分析方便利用CCD圖像傳感器觀察熒光圖像中的亮環(huán)半徑及其光強(qiáng)分布，擬合計(jì)算各種導(dǎo)模的傳播常數(shù)。


圖1為本發(fā)明一種基于熒光成像的有源聚合物平面波導(dǎo)傳播常數(shù)測量儀的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為測量流程圖；圖3為顯微物鏡后焦面上的熒光像；
圖4為沿圖3所示虛線上(沿直徑)各點(diǎn)的熒光強(qiáng)度分布曲線其中，1、激光光源；2擴(kuò)束透鏡組；3、分束鏡；4、高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡；5、折射率匹配油；6、玻璃基底；7、金屬薄膜；8、有源聚合物薄膜；9、濾光片；10、凸透鏡；11、CXD圖像傳感器。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描敘，附圖中相同的標(biāo)號(hào)始終表示相同的部件。參照?qǐng)D1所示的一種基于熒光成像的有源聚合物平面波導(dǎo)傳播常數(shù)測量儀，包括激光光源1 (如波長532nm激光器)，擴(kuò)束透鏡組2，分束鏡3，高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡 4 (以下簡稱顯微物鏡4)，折射率匹配油5，玻璃基底6，金屬薄膜7，有源聚合物薄膜8 (實(shí)施例中，有源物質(zhì)為染料若丹明B)，濾光片9，凸透鏡10，CCD圖像傳感器11。其中，具體的測量流程如圖2。有源聚合物平面波導(dǎo)的制備方法為，在玻璃基底6上蒸鍍或?yàn)R射一層45nm 厚的銀膜，將羅丹明B粉末(即為有源物質(zhì))溶解在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的苯甲醚溶液，然后旋涂于先前沉積了 45nm銀膜的玻璃基底上并烘干，即制備成了有源聚合物平面波導(dǎo)。將制備好的波導(dǎo)通過折射率1. 516的匹配油5與顯微物鏡4(如60X，N. A. = 1. 42)相接；激光光源1所發(fā)射的532nm激光，經(jīng)擴(kuò)束透鏡組2使入射光擴(kuò)束到能覆蓋整個(gè)顯微物鏡4的入瞳面，經(jīng)過分束鏡3反射后，經(jīng)顯微物鏡4會(huì)聚到波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上激發(fā)熒光分子發(fā)射熒光，經(jīng)顯微物鏡4收集，通過濾光片9 (如中心波長580nm、帶寬IOnm的窄帶濾光片)，濾去 532nm激發(fā)光，只讓熒光通過，并由凸透鏡10將顯微物鏡4后焦面上的熒光強(qiáng)度分布成像于 CCD圖像傳感器11的光敏面，進(jìn)而可以得到物鏡后焦面的熒光像。如圖3所示，基于上述條件和參數(shù)所形成的視場內(nèi)第一圈亮環(huán)，其與視場半徑之比為0. 9436，進(jìn)而得知此模式的激發(fā)角為61. 83°，對(duì)應(yīng)有效折射率為1. 34的導(dǎo)模。第二圈亮環(huán)半徑與視場半徑比為0. 8232，該模式的激發(fā)角為50. 27°，對(duì)應(yīng)有效折射率為1169 的導(dǎo)模。同理，最內(nèi)圈亮環(huán)半徑與視場半徑比為0.7112，所以此模式的激發(fā)角為41. 64°， 其有效折射率為1.01。進(jìn)一步的，對(duì)亮環(huán)的強(qiáng)度分布進(jìn)行洛倫茲曲線擬合，從而計(jì)算出其半高全寬分別為，0. 033K0,0. 0182K0,0. 0143KQO分別對(duì)應(yīng)著上述三種模式，其傳播長度分別為2. 80 μ m, 5. 07 μ m 禾口 6. 46 μ m。本發(fā)明未詳細(xì)闡述的部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制在具體實(shí)施方式
的范圍內(nèi)，對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，只要各種變化在權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。
權(quán)利要求
1.一種基于熒光成像的有源聚合物平面波導(dǎo)傳播常數(shù)測量儀，其特征在于其包括 激光光源(1)，擴(kuò)束透鏡組0)，分束鏡(3)，高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡G)，折射率匹配油 (5)，有源聚合物平面波導(dǎo)，濾光片(9)，凸透鏡(10)和CCD圖像傳感器(11)；其中，有源聚合物平面波導(dǎo)由玻璃基底(6)，金屬薄膜(7)，有源物質(zhì)聚合物薄膜(8)以及上方空氣層構(gòu)成的四層結(jié)構(gòu)，其制備過程為在玻璃基底(6)上蒸鍍或?yàn)R射金屬薄膜(7)，并在金屬薄膜(7)上旋涂有源物質(zhì)摻雜的聚合物溶液，形成有源物質(zhì)聚合物薄膜(8)，其中， 有源物質(zhì)為熒光分子；激光光源(1)所發(fā)射激光，通過擴(kuò)束透鏡組( 擴(kuò)束后經(jīng)分束鏡(3)，高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡G)，折射率匹配油(5)，以寬角度范圍聚焦輻照在聚合物薄膜(8)上，聚合物薄膜中的熒光分子受激輻射熒光，熒光耦合成傳輸于平面波導(dǎo)中的導(dǎo)波；在某些特定角度下，傳輸?shù)膶?dǎo)波的部分能量從玻璃基底一側(cè)泄露輻射出波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，經(jīng)顯微鏡(4)收集，通過分束鏡(3)、濾光片(9)及凸透鏡(10)在CCD圖像傳感器(1 上呈現(xiàn)出不同半徑大小的亮環(huán)， 這些特定角度與后焦面光學(xué)像上的亮環(huán)半徑一一對(duì)應(yīng)，同時(shí)與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中存在的各種模式傳播常數(shù)的實(shí)部一一對(duì)應(yīng)，通過分析熒光像中亮環(huán)的半徑及已知的顯微物鏡數(shù)值孔徑，計(jì)算出導(dǎo)模傳播常數(shù)的實(shí)部；通過后焦面上的反射光場光學(xué)像計(jì)算獲得傳播常數(shù)的虛部，其擬合計(jì)算步驟如下讀取圖像，記錄其中沿著直徑方向的熒光強(qiáng)度分布曲線，并用洛倫茲型曲線對(duì)其擬合，求出直徑方向上熒光強(qiáng)度分布曲線的半高寬，計(jì)算出傳播長度；它對(duì)應(yīng)于導(dǎo)模傳播常數(shù)的虛部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于有源聚合物平面波導(dǎo)傳播常數(shù)測量儀，其特征在于，所述的激光光源(1)通過擴(kuò)束后，覆蓋整個(gè)高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡的入瞳，充分利用物鏡的高數(shù)值孔徑，獲得較小尺寸的聚焦光斑，從而提高測量的空間分辨率，實(shí)現(xiàn)微區(qū)測量；同時(shí)利用同一物鏡(4)實(shí)現(xiàn)對(duì)熒光信號(hào)的收集與成像，簡化了儀器結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于熒光成像的有源聚合物平面波導(dǎo)傳播常數(shù)測量儀，主要是利用高數(shù)值孔徑顯微物鏡搭建熒光成像裝置，入射激光經(jīng)高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡聚焦照射到有源聚合物薄膜，激發(fā)摻雜于薄膜中的有源物質(zhì)使其發(fā)射熒光；激發(fā)出來的熒光可耦合為傳輸于平面波導(dǎo)中的導(dǎo)波。導(dǎo)波在傳播過程中，部分光能量將沿著一些特定角度從波導(dǎo)一側(cè)泄露輻射到遠(yuǎn)場，并被同一物鏡收集成像于CCD圖像傳感器。這些特定角度及輻射出來的熒光光場分布與導(dǎo)波的傳播常數(shù)相關(guān)聯(lián)，而它們均反應(yīng)在CCD所記錄的熒光像上，因此可以通過熒光像推導(dǎo)出平面波導(dǎo)中各種導(dǎo)波的傳播常數(shù)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單緊湊，空間分辨率高，適合于有源聚合物平面波導(dǎo)傳播常數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與快速測量。
文檔編號(hào)G01M11/02GK102419250SQ20111041358
公開日2012年4月18日 申請(qǐng)日期2011年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月10日
發(fā)明者傅強(qiáng), 張斗國, 明海, 王向賢, 王沛, 陳漪愷 申請(qǐng)人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)