一種基於螢光成像的有源聚合物平面波導傳播常數測量儀的製作方法

2023-06-24 12:59:26 2

專利名稱：一種基於螢光成像的有源聚合物平面波導傳播常數測量儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及光波導器件的本徵參數測量與計算的技術領域，特別涉及一種基於螢光成像的有源聚合物平面波導傳播常數測量儀。
技術背景光學信息處理系統的集成化和微型化使聚合物平面波導依靠其易加工、低損耗等優點迅速發展，而光波導器件的基本屬性之一傳播常數更在集成光學的光器件設計與研究中不可或缺。有源物質(發光粒子)摻雜於平面波導中，可有效補償波導傳輸損耗，也用於發展各種有源波導光學器件，如波導雷射器與波導放大器。因此研究有源物質聚合物波導中各種導波傳播常數的測量方法具有重要應用價值。現有較為成熟的測量平面波導傳播常數的方法主要是基於稜鏡的角度掃描法(M線法)，並求解超越方程求出波導參數。其主要存在的問題為I、過程繁瑣，測量速度慢。M線法測量波導的有效折射率需要特定的稜鏡耦合儀(0-29儀)，並且需要角度的逐點掃描，速度慢，耗時長，不能實現實時觀測。2、空間解析度低。其結構只能在一維方向激勵共振導模，同時沒有高數值孔徑物鏡聚焦系統，因而空間解析度較低。3、局限性。此種方法不易直接計算表徵傳播常數的虛部，即導波的傳播長度。
實用新型內容本實用新型的目的是克服現有技術的不足，提出了一種基於螢光成像的有源聚合物平面波導傳播常數測量儀，其結構簡單緊湊，空間解析度高，無需角度掃描，可實時監測，適合於平面波導傳播常數的高效、完整測量。本實用新型實現上述目的的技術方案如下一種基於螢光成像的有源聚合物平面波導傳播常數測量儀其包括雷射光源，擴束透鏡組，分束鏡，高數值孔徑油浸顯微物鏡，折射率匹配油，平面波導，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，是由玻璃基底，金屬薄膜，摻有源物質的聚合物薄膜以及上方空氣層構成的四層結構，其製備過程為在玻璃基底上蒸鍍或濺射金屬薄膜，並在金屬薄膜上旋塗有源物質摻雜的聚合物溶液，形成有源物質聚合物薄膜，其中，有源物質為突光分子；所述的雷射光源所發射雷射，通過擴束透鏡組擴束後經反射鏡、高數值孔徑油浸顯微物鏡，折射率匹配油，以寬角度範圍聚焦輻照到有源聚合物薄膜上，聚合物薄膜中的螢光分子受激輻射螢光，螢光耦合成傳輸於平面波導中的導波；在某些特定角度下，傳輸的導波的部分能量從玻璃基底一側洩露輻射出波導結構，經顯微物鏡收集，通過分束鏡、濾光片及凸透鏡後在CXD圖像傳感器上呈現出不同半徑大小的亮環，這些特定角度與後焦面光學像上的亮環半徑對應，同時與波導結構中存在的各種模式傳播常數的實部對應，通過分析螢光像中亮環的半徑及已知的顯微物鏡數值孔徑，計算出導模傳播常數的實部；通過後焦面上的反射光場光學像計算獲得傳播常數的虛部，其擬合計算步驟如下讀取圖像，記錄其中沿著直徑方向的螢光強度分布曲線，並用洛倫茲型曲線對其擬合，求出直徑方向上螢光強度分布曲線的半高寬，計算出傳播長度；它對應於導模傳播常數的虛部。進一步的，所述的雷射光源通過擴束後，覆蓋整個高數值孔徑油浸顯微物鏡的入瞳，充分利用物鏡的高數值孔徑，獲得較小尺寸的聚焦光斑，從而提高測量的空間解析度，實現微區測量；同時利用同一物鏡實現對螢光信號的收集與成像，簡化了儀器結構。本實用新型技術方案的原理為激發光經高數值孔徑顯微鏡聚焦照射於有源聚合物平面波導，使摻雜於其中的有源物質(螢光分子)發射螢光，利用成像的方法，拍攝螢光在物鏡後焦面上的強度分布圖像，通過對圖像上光強分布進行分析，推導出存在於此平面波導中各種導模的傳播常數。導模的傳播常數包含實部和虛部兩部分，實部對應於導模的有效折射率，而虛部對應於此種模式在波導結構中的傳播長度。具體的，所述雷射光源，通過所設計的光路，實現強聚焦照射平面波導，在微區內激發螢光，螢光偶合成平面波導中傳輸的導波。由於高折射率玻璃基底的存在，在某些特定的角度下，這些導波在傳輸的過程中，有一部分能量會從玻璃基底一端洩露輻射到遠場，進而在位於油浸顯微物鏡後焦面上產生各種不同半徑的亮環。計算亮環半徑(峰峰值的一半)與視場半徑(r = f *nsin 0為亮環半徑，f 為高數值孔徑油浸顯微物鏡的焦距，n為折射率匹配油的折射率，9為導模的激發角，R= f nsin em為視場半徑，0111最大視角，對應於顯微物鏡的數值孔徑)的比值，計算出不同導模的激發角或波數，即對應於傳播常數的實部。進一步的，對輻射的螢光沿亮環直徑方向的強度分布進行洛倫茲型曲線擬合。通過計算曲線的半高全寬W，得到導波的傳播距離(W—1)，即對應於傳播常數的虛部。本實用新型和傳統技術相比的優勢為I、結構簡單顯微物鏡在此裝置中既被用於聚焦激發光，實現在微區內激發各種導模，也被用來收集螢光進行成像。通過CCD對物鏡後焦面成像，利用螢光像直接測量和計算所有導模的傳播常數，其結構簡單緊湊； 2、高效率無需進行角度掃描，直接通過成像的方法進行測量，其測量時間短，操作方便，效率高；同時可實時動態監測外界因素，如溫度、溼度等對導模有效折射率的影響；3、高解析度利用油浸顯微物鏡的高數值孔徑特性,可實現高空間解析度測量。4、模式分析方便利用CCD圖像傳感器觀察螢光圖像中的亮環半徑及其光強分布，擬合計算各種導模的傳播常數。

圖I為本實用新型一種基於螢光成像的有源聚合物平面波導傳播常數測量儀的結構示意圖；圖2為測量流程圖；圖3為顯微物鏡後焦面上的螢光像；[0024]圖4為沿圖3所示虛線上(沿直徑)各點的螢光強度分布曲線其中，I、雷射光源；2擴束透鏡組；3、分束鏡；4、高數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。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細描敘，附圖中相同的標號始終表不相同的部件。參照圖I所示的一種基於螢光成像的有源聚合物平面波導傳播常數測量儀，包括雷射光源I (如波長532nm雷射器)，擴束透鏡組2，分束鏡3，高數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 (實施例中，有源物質為染料若丹明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的製備方法為，在玻璃基底6上蒸鍍或濺射一層45nm厚的銀膜，將羅丹明B粉末(即為有源物質)溶解在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的苯甲醚溶液，然後旋塗於先前沉積了 45nm銀膜的玻璃基底上並烘乾，即製備成了有源聚合物平面波導。將製備好的波導通過折射率I. 516的匹配油5與顯微物鏡4(如60X，N. A. = I. 42)相接；雷射光源I所發射的532nm雷射，經擴束透鏡組2使入射光擴束到能覆蓋整個顯微物鏡4的入瞳面，經過分束鏡3反射後，經顯微物鏡4會聚到波導結構上激發螢光分子發射螢光，經顯微物鏡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激發光，只讓螢光通過，並由凸透鏡10將顯微物鏡4後焦面上的螢光強度分布成像於CCD圖像傳感器11的光敏面，進而可以得到物鏡後焦面的螢光像。如圖3所示，基於上述條件和參數所形成的視場內第一圈亮環，其與視場半徑之比為0. 9436，進而得知此模式的激發角為61. 83°，對應有效折射率為I. 34的導模。第二圈亮環半徑與視場半徑比為0. 8232，該模式的激發角為50. 27°，對應有效折射率為1169的導模。同理，最內圈亮環半徑與視場半徑比為0.7112，所以此模式的激發角為41. 64°，其有效折射率為1.01。進一步的，對亮環的強度分布進行洛倫茲曲線擬合，從而計算出其半高全寬分別為，0. 033K0，0. 0182K0，0. 0143K0。分別對應著上述三種模式，其傳播長度分別為2. 80 u m,
5.07 u m 和 6. 46 u m。本實用新型未詳細闡述的部分屬於本領域公知技術。以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非限制在具體實施方式
的範圍內，對本技術領域的普通技術人員來講，只要各種變化在權利要求限定和確定的本實用新型的精神和範圍內，這些變化是顯而易見的，一切利用本實用新型構思的發明創造均在保護之列。
權利要求1.ー種基於螢光成像的有源聚合物平面波導傳播常數測量儀，其特徵在於其包括雷射光源(1)，擴束透鏡組(2)，分束鏡(3)，高數值孔徑油浸顯微物鏡(4)，折射率匹配油(5)，有源聚合物平面波導，濾光片(9)，凸透鏡(10)和CXD圖像傳感器(11);其中， 有源聚合物平面波導由玻璃基底(6)，金屬薄膜(7)，有源物質聚合物薄膜(8)以及上方空氣層構成的四層結構，其製備過程為在玻璃基底(6)上蒸鍍或濺射金屬薄膜(7)，並在金屬薄膜(7)上形成有源物質聚合物薄膜(8) ，其中，有源物質為螢光分子； 雷射光源(I)所發射雷射，通過擴束透鏡組(2)擴束後經分束鏡(3)，高數值孔徑油浸顯微物鏡(4)，折射率匹配油(5)，以寬角度範圍聚焦輻照在聚合物薄膜(8)上，聚合物薄膜中的螢光分子受激輻射螢光，螢光耦合成傳輸於平面波導中的導波；在某些特定角度下，傳輸的導波的部分能量從玻璃基底ー側洩露輻射出波導結構，經顯微鏡(4)收集，通過分束鏡(3)、濾光片(9)及凸透鏡(10)在CXD圖像傳感器(13)上呈現出不同半徑大小的亮環。
專利摘要本實用新型公開了一種基於螢光成像的有源聚合物平面波導傳播常數測量儀，其利用高數值孔徑顯微物鏡搭建螢光成像裝置，入射雷射經高數值孔徑油浸顯微物鏡聚焦照射到有源聚合物薄膜，激發摻雜於薄膜中的有源物質使其發射螢光；激發出來的螢光可耦合為傳輸於平面波導中的導波。導波在傳播過程中，部分光能量將沿著一些特定角度從波導一側洩露輻射到遠場，並被同一物鏡收集成像於CCD圖像傳感器。這些特定角度及輻射出來的螢光光場分布與導波的傳播常數相關聯，而它們均反應在CCD所記錄的螢光像上，因此通過螢光像推導出平面波導中各種導波的傳播常數。本實用新型結構簡單緊湊，空間解析度高，適合於有源聚合物平面波導傳播常數的實時監測與快速測量。
文檔編號G01M11/02GK202403893SQ20112051852
公開日2012年8月29日 申請日期2011年12月10日 優先權日2011年12月10日
發明者傅強, 張鬥國, 明海, 王向賢, 王沛, 陳漪愷 申請人:中國科學技術大學