一種光學芯片、制作方法及熒光成像系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種光學芯片、制作方法及熒光成像系統，所述光學芯片基于Tamm耦合發射實現定向出射，所述光學芯片包括：透明基底；位于所述透明基底一表面的布拉格反射層；以及，位于所述布拉格反射層背離所述透明基底一側的金屬膜層；其中，所述金屬膜層形成有至少一個通孔，且所述通孔內填充有熒光分子。本發明提供的技術方案，利用布拉格反射層和金屬膜層之間產生Tamm等離激元，與熒光分子被激發后出射的熒光耦合，以形成Tamm模式的耦合出射，實現熒光的定向出射；并且對于特定波長的熒光，由于波矢分量很小，能夠實現接近垂直于表面的方向出射，本發明提供的光學芯片不僅結構簡單，而且加工成本低。
【專利說明】
一種光學芯片、制作方法及熒光成像系統
技術領域
[0001 ]本發明涉及熒光技術的生物檢測領域，更為具體的說，涉及一種光學芯片、制作方法及熒光成像系統。
【背景技術】
[0002]熒光技術在光學、化學、分子生物學、以及醫學等方面有重要應用，如何有效的探測熒光信號是人們重點關注的問題。在自由空間熒光分子發出的熒光是各向同性的，實現熒光的定向輻射是提高熒光探測效率的關鍵問題之一。近年來，很多近場方法被用來調控熒光的方向性。例如銀膜上中心小孔周圍刻寫周期性環形槽結構，對熒光有很好的定向和波長選擇作用；金膜上刻寫有限尺寸的六邊形陣列，這樣的結構也能使位于中心位置的熒光分子的輻射光場以一定方向出射。但是，這些結構的光學芯片都存在著一定的局限性。
【發明內容】
[0003]有鑒于此，本發明提供了一種光學芯片、制作方法及熒光成像系統，利用布拉格反射層和金屬膜層之間產生Tamm等離激元，與熒光分子被激發后出射的熒光耦合，實現熒光的定向出射，不僅結構簡單，而且加工成本低。
[0004]為實現上述目的，本發明提供的技術方案如下:
[0005]—種光學芯片，所述光學芯片基于Tamm耦合發射實現定向出射，所述光學芯片包括:
[0006]透明基底；
[0007]位于所述透明基底一表面的布拉格反射層；
[0008]以及，位于所述布拉格反射層背離所述透明基底一側的金屬膜層；
[0009]其中，所述金屬膜層形成有至少一個通孔，且所述通孔內填充有熒光分子。
[00?0]可選的，所述布拉格反射層包括:
[0011]多個沿所述透明基底至金屬反射膜層方向交替設置的第一介質層和第二介質層，且所述布拉格反射層靠近所述透明基底和金屬膜層的介質層均為第一介質層；
[0012]其中，所述第一介質層的折射率大于所述第二介質層的折射率，且所述布拉格反射層靠近所述金屬膜層的第一介質層為缺陷層。
[0013]可選的，所述第一介質層為氮化硅層；
[0014]所述第二介質層為二氧化硅層。
[0015]可選的，所述熒光分子通過溶于溶液、摻雜于樹脂材料或標記在生物分子上的方式被填充于所述通孔內。
[0016]可選的，所述透明基底為玻璃基底或樹脂基底。
[0017]可選的，所述金屬膜層為銀膜。
[0018]可選的，所述金屬膜層的厚度范圍不小于lOOnm。
[0019]相應的，本發明還提供了一種光學芯片的制作方法，應用于制作上述的光學芯片，所述制作方法包括:
[0020]提供一透明基底；
[0021 ]在所述透明基底一表面形成布拉格反射層；
[0022]在所述布拉格反射層背離所述透明基底一側形成金屬膜層，其中，所述金屬膜層形成有至少一個通孔，且所述通孔內填充有熒光分子。
[0023]可選的，所述通孔通過聚焦離子束刻蝕于所述金屬膜層上；
[0024]或者，所述通孔通過納米壓印方式制作于所述金屬膜層上。
[0025]相應的，本發明還提供了一種熒光成像系統，所述熒光成像系統包括上述光學芯片。
[0026]相較于現有技術，本發明提供的技術方案至少具有以下優點:
[0027]本發明提供了一種光學芯片、制作方法及熒光成像系統，所述光學芯片基于Tamm耦合發射實現定向出射，所述光學芯片包括:透明基底;位于所述透明基底一表面的布拉格反射層；以及，位于所述布拉格反射層背離所述透明基底一側的金屬膜層;其中，所述金屬膜層形成有至少一個通孔，且所述通孔內填充有熒光分子。本發明提供的技術方案，利用布拉格反射層和金屬膜層之間產生Tamm等離激元，與熒光分子被激發后出射的熒光耦合，以形成Tamm模式的親合出射，實現焚光的定向出射;并且對于特定波長的焚光，由于波矢分量很小，能夠實現接近垂直于表面的方向出射，本發明提供的光學芯片不僅結構簡單，而且加工成本低。
【附圖說明】
[0028]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖獲得其他的附圖。
[0029]圖1為本申請實施例提供的一種光學芯片的結構示意圖；
[0030]圖2為本申請實施例提供的另一種光學芯片的結構示意圖；
[0031 ]圖3為本申請實施例提供的一種光學芯片的效果示意圖；
[0032]圖4為本申請實施例提供的一種光學芯片的制作方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0033]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0034]正如【背景技術】所述，很多近場方法被用來調控熒光的方向性，例如銀膜上中心小孔周圍刻寫周期性環形槽結構，對熒光有很好的定向和波長選擇作用；金膜上刻寫有限尺寸的六邊形陣列，這樣的結構也能使位于中心位置的熒光分子的輻射光場以一定方向出射。但是，這些結構的光學芯片都存在著一定的局限性，其主要存在的問題包括:1、結構復雜，上述的光學芯片都具有復雜的表面結構，需要用過表面復雜結構之間的相互作用來實現熒光的調控。2、要求苛刻，表面的周期性結構或陣列結構的尺寸和相對位置都有很精確的要求，這在很大程度上增加了微納加工制造的困難。3、不易操作，這些光學天線只能對置于表面結構中心位置的而熒光分子進行調控，這就需要精確控制熒光分子的位置。4、損耗大，金屬介電常數的虛部很大，利用表面金屬結構實現熒光調控的光學芯片，其損耗就很大，降低了熒光探測效率。
[0035]基于此，本申請實施例提供了一種光學芯片、制作方法及熒光成像系統，利用布拉格反射層和金屬膜層之間產生Tamm等離激元，與熒光分子被激發后出射的熒光耦合，實現熒光的定向出射，不僅結構簡單，而且加工成本低。為實現上述目的，本申請實施例提供的技術方案如下，具體結合圖1至圖4所示，對本申請實施例提供的技術方案進行詳細的描述。
[0036]參考圖1所示，為本申請實施例提供的一種光學芯片的結構示意圖，其中，所述光學芯片基于Tamm耦合發射實現定向出射，所述光學芯片包括:
[0037]透明基底100;
[0038]位于所述透明基底100—表面的布拉格反射層200；
[0039]以及，位于所述布拉格反射層200背離所述透明基底100—側的金屬膜層300;
[0040]其中，所述金屬膜層300形成有至少一個通孔310，且所述通孔310內填充有熒光分子320。
[0041]由于布拉格反射層與包括有通孔的金屬膜層之間會產生Tamm等離激元，且由于金屬的負的介電常數和光子晶體布拉格反射的自身禁帶，其具有很強的局域性，因此，本申請實施例提供的技術方案，利用布拉格反射層和金屬膜層之間產生的Tamm等離激元，與熒光分子被激發后出射的焚光親合，以形成Tamm模式的親合出射，實現焚光的定向出射；由于不同波長的熒光對應不同出射角度，因此通過設定特定波長的熒光，由于波矢分量很小，能夠實現接近垂直于表面的方向出射。
[0042]與現有技術相比，由于本申請提供的技術方案只需要在金屬膜層上刻蝕通孔即可，而無需在金屬膜層表面制作復雜的表面結構來調控熒光輻射光場，并且，本申請對于通孔的形狀、位置、尺寸等均無嚴格要求，因此本申請提供的光學芯片不僅結構簡單，而且加工成本低；另外，由于本申請提供的光學芯片的金屬膜層上還可以包括多個獨立的通孔，且每個通孔里出射的熒光都能夠接近垂直出射，因而可以在同一光學芯片上對多個信號進行探測，從而實現高通量檢測。
[0043]具體的，參考圖2所示，為本申請實施例提供的另一種光學芯片的結構示意圖，其中，所述光學芯片包括:
[0044]透明基底100、布拉格反射層200和金屬膜層300;
[0045]以及，所述布拉格反射層200包括:
[0046]多個沿所述透明基底100至金屬反射膜層300方向X交替設置的第一介質層210和第二介質層220，且所述布拉格反射層200靠近所述透明基底100和金屬膜層300的介質層均為第一介質層210;
[0047]其中，所述第一介質層210的折射率大于所述第二介質層220的折射率，且所述布拉格反射層220靠近所述金屬膜層300的第一介質層為缺陷層211。
[0048]在本申請一實施例中，所述第一介質層為氮化硅層;而所述第二介質層為二氧化硅層。此外，在本申請其他實施例中，第一介質層和第二介質層還可以為其他材質，對此本申請實施例不做具體限制，需要根據實際應用進行具體的選取。
[0049]需要說明的是，本申請提供的光學芯片，能夠通過改變第一介質層和第二介質層的材質，通過改變第一介質層和第二介質層的厚度，以及，通過改變第一介質層和第二介質層的數量，來調控熒光與Tamm等離激元共振耦合的共振峰的位置，以得到不同的熒光波長角度分布圖，實現特定波長的小角度出射。因此，本申請實施例對提供的第一介質層和第二介質層的厚度范圍不做具體限制，其需要根據實際應用和介質層的材質等因素進行具體的考慮。
[0050]可選的，在本申請一實施例中，在所述第一介質層為氮化硅層，而所述第二介質層為二氧化硅層時，除缺陷層外所有第一介質層的厚度可以為55nm，第二介質層的厚度為105nm，而缺陷層的厚度為50nm，且第一介質層和第二介質層的數量總和為13。或者，在本申請其他實施例中，在所述第一介質層為氮化硅層，而所述第二介質層為二氧化硅層時，第一介質層和第二介質層的厚度還可以為其他數值，且第一介質層和第二介質層的數量總和為其他數值。
[0051 ]在本申請上述任意一實施例中，熒光分子需要被填充至通孔內，其中，本申請實施例提供的所述熒光分子可以通過溶于溶液、摻雜于樹脂材料或標記在生物分子上等方式被填充于所述通孔內。較佳的，所述溶液可以包括羅丹明B乙醇溶液，而所述樹脂材料可以包括聚甲基丙烯酸甲酯。
[0052]以及，本申請實施例提供的所述透明基底可以為玻璃基底或樹脂基底，或者，為其他透明材質的基底，對此需要根據實際應用進行具體選取。
[0053]以及較佳的，本申請實施例提供的所述金屬膜層為銀膜;其中，所述金屬膜層的厚度范圍不小于10nm，對于金屬膜層的厚度本申請不做具體限制，其可以為10nm，還可以為200nm、300nm等，其需要根據金屬膜層材質等因素進行具體設計。
[0054]下面結合圖3對本申請一具體的光學芯片進行進一步的描述。其中，光學芯片的布拉格反射層由氮化硅層和二氧化硅層交替組成，且氮化硅層和二氧化硅層的總數量為13;除缺陷層外氮化硅層的厚度設置為55nm，二氧化硅層的厚度為105nm，缺陷層的厚度為50nm。金屬膜層為銀膜，且其厚度為200nm;其上通孔為圓柱形通孔，且直徑為600nm。焚光分子通過溶于羅丹明B乙醇溶液的方式填充至通孔，且其濃度為10—4mol/L，該光學芯片在波長為577nm處的光有很強的透射，羅丹明B的發射峰在580nm附近。
[0055]參考圖3所示，為本申請實施例提供的一種光學芯片的效果示意圖，其中，a、b和c所對應小圖分別表示熒光發射波長為560nm、580nm和600nm時的前焦面的圖像，可以看出僅有通孔中的熒光分子被點亮;d、e和f分別表示熒光發射波長為560nm、580nm和600nm時的前焦面的圖像，在熒光出射波長為580nm時，與Tamm模式耦合出射的熒光幾乎垂直出射。
[0056]以及，結合圖中g所對應的熒光發射波長對應出射角度分布圖，以直觀了解不同熒光發射波長時的熒光出射角度，位于通孔中的熒光分子被532nm的激光激發后，出射的熒光與布拉格反射層和銀膜界面處的Tamm等離激元耦合，對于不同波長的熒光，會以不同角度輻射出去。用后焦面表征熒光的出射角度，后焦面上的不同位置，對應不同的出射角度，當熒光發射波長為560nm時，熒光的出射角約為17.63度；當熒光發射波長為580nm時，熒光幾乎以O度出射;當熒光發射波長為600nm時，不能觀察到Tamm模式的耦合出射光。
[0057]相應的，本申請實施例還提供了一種光學芯片的制作方法，應用于制作上述任意一實施例提供的光學芯片，參考圖4所示，為本申請實施例提供的一種光學芯片的制作方法的流程圖，其中，所述制作方法包括:
[0058]S1、提供一透明基底；
[0059]S2、在所述透明基底一表面形成布拉格反射層；
[0060]S3、在所述布拉格反射層背離所述透明基底一側形成金屬膜層，其中，所述金屬膜層形成有至少一個通孔，且所述通孔內填充有熒光分子。
[0061 ]在本申請中，對于通孔的制作工藝不做具體限制，其中，在本申請一實施例中，所述通孔可以通過聚焦離子束刻蝕于所述金屬膜層上；
[0062]或者，在本申請另一實施例中，所述通孔可以通過納米壓印方式制作于所述金屬膜層上。
[0063]此外，本申請實施例的金屬膜層，可以采用磁控濺射真空設備鍍膜的方式形成。其中，當金屬膜層為銀膜時，通過磁控濺射真空設備鍍膜的方式能夠保證銀膜的厚度足夠大，以阻止通孔以外的熒光透過，保證探測熒光分子的準確度高。
[0064]相應的，本申請實施例還提供了一種熒光成像系統，所述熒光成像系統包括上述任意一實施例提供的光學芯片。
[0065]本申請實施例提供了一種光學芯片、制作方法及熒光成像系統，所述光學芯片基于Tamm親合發射實現定向出射，所述光學芯片包括:透明基底;位于所述透明基底一表面的布拉格反射層；以及，位于所述布拉格反射層背離所述透明基底一側的金屬膜層;其中，所述金屬膜層形成有至少一個通孔，且所述通孔內填充有熒光分子。本申請實施例提供的技術方案，利用布拉格反射層和金屬膜層之間產生Tamm等離激元，與熒光分子被激發后出射的焚光親合，以形成Tamm模式的親合出射，實現焚光的定向出射;并且對于特定波長，由于波矢分量很小，能夠實現接近垂直于表面的方向出射，本申請實施例提供的光學芯片不僅結構簡單，而且加工成本低。
[0066]對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
【主權項】
1.一種光學芯片，所述光學芯片基于Tamm耦合發射實現定向出射，其特征在于，所述光學芯片包括: 透明基底； 位于所述透明基底一表面的布拉格反射層； 以及，位于所述布拉格反射層背離所述透明基底一側的金屬膜層； 其中，所述金屬膜層形成有至少一個通孔，且所述通孔內填充有熒光分子。2.根據權利要求1所述的光學芯片，其特征在于，所述布拉格反射層包括: 多個沿所述透明基底至金屬反射膜層方向交替設置的第一介質層和第二介質層，且所述布拉格反射層靠近所述透明基底和金屬膜層的介質層均為第一介質層； 其中，所述第一介質層的折射率大于所述第二介質層的折射率，且所述布拉格反射層靠近所述金屬膜層的第一介質層為缺陷層。3.根據權利要求2所述的光學芯片，其特征在于，所述第一介質層為氮化硅層； 所述第二介質層為二氧化硅層。4.根據權利要求1所述的光學芯片，其特征在于，所述熒光分子通過溶于溶液、摻雜于樹脂材料或標記在生物分子上的方式被填充于所述通孔內。5.根據權利要求1所述的光學芯片，其特征在于，所述透明基底為玻璃基底或樹脂基底。6.根據權利要求1所述的光學芯片，其特征在于，所述金屬膜層為銀膜。7.根據權利要求1所述的光學芯片，其特征在于，所述金屬膜層的厚度范圍不小于.10nm.8.—種光學芯片的制作方法，其特征在于，應用于制作權利要求1?7任意一項所述的光學芯片，所述制作方法包括: 提供一透明基底； 在所述透明基底一表面形成布拉格反射層； 在所述布拉格反射層背離所述透明基底一側形成金屬膜層，其中，所述金屬膜層形成有至少一個通孔，且所述通孔內填充有熒光分子。9.根據權利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述通孔通過聚焦離子束刻蝕于所述金屬膜層上； 或者，所述通孔通過納米壓印方式制作于所述金屬膜層上。10.—種熒光成像系統，其特征在于，所述熒光成像系統包括權利要求1?7任意一項所述光學芯片。
【文檔編號】G01N21/64GK105866086SQ201610287518
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月28日
【發明人】邱冬, 張斗國, 王茹雪, 朱良富, 王沛, 明海
【申請人】中國科學技術大學