一種產生均勻倏逝波場的系統的制作方法
【專利摘要】本發明屬于導波光學技術領域，具體為一種產生均勻倏逝波場的系統。本發明系統包括:一個“折射率隙”結構和一套光束引導機構；折射率隙結構為由兩塊高折射率的橫截面為梯形的平板材料，以及夾于其中的低折射率層所構成的平面型三層結構；一束激發光被光束引導機構分束后對稱引導入折射率隙中的兩個高折射率層中，并對稱入射于低折射率層的界面，且入射角等于其全內反射角；兩束光的強度和相位由可變分束鏡和相位延遲器調節。采用本發明的可以在低折射率間隙層中產生均勻的倏逝波場，可用于材料的微納結構分析或傳感應用。
【專利說明】
一種產生均勻倏逝波場的系統
技術領域
[0001] 本發明屬于導波光學技術領域，具體涉及一種產生均勻倏逝波場的系統。
【背景技術】
[0002] 材料的微結構分析中，拉曼散射和熒光是兩種有效的分析方法。借助于平面光波 導技術，可產生表面倏逝場，對待分析的樣品進行激發。但是，由于表面倏逝場大多是指數 衰減式空間分布，因此是不均勻的，從而使激發的效果受到空間不均勻的影響。同時，由于 這種指數型衰減，倏逝場的有效深度很淺，一般在一個波長量級，因此，對樣品的制備提出 了很高的要求，也使得可測量的樣品種類受到很限制。因此，研究能夠產生均勻倏逝場的方 法就成為迫切的需要。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的在于提供一種可產生穩定的和空間均勻分布的倏逝波場的系統。
[0004] 倏逝場是由于光在從高折射率材料向低折射率材料的界面上發生全內反射時在 低折射率材料內部產生的一種逐漸衰減的光波場，這種衰減呈現指數形式。但是，這個衰減 形式在特定的情況下，可不是指數形式。如果在低折射率材料的另一側放置另一個高折射 率材料，總體形成一個折射率的高-低-高的結構，俗稱"折射率隙"結構，這時，在一側發生 全內反射的入射角下，低折射率內部的倏逝場將會從一端界面到另一端界面的線性衰減形 式存在。若此時在間隙的另一側的高折射率材料中，也用同樣的光束產生同樣的倏逝場，則 兩側產生的同樣線性衰減的倏逝場將會相互疊加，在低折射率間隙內產生均勻的倏逝場。 并且理論上用這種方面產生的均勻倏逝場不受間隙寬度的限制。實際中，對于小于5微米的 間隙內，倏逝場具有很好的穩定度。
[0005] 因此，基于上述線性倏逝場的疊加原理，本發明設計的一種產生均勻倏逝波場的 系統，其結構如圖1所示，它包括:一個平面型折射率隙結構，以及激發光束引導機構。其 中，所述平面型折射率隙結構由兩塊高折射率平板材料：基底層和覆蓋層，以及夾于兩塊 平板中的低折射率材料間隙層構成;所述的激發光束引導機構由激發光束，可變分束鏡，相 位延遲器，平面反射鏡構成。
[0006] 本發明中，所述激發光束1為連續或脈沖激光光束。
[0007] 本發明中，所述的可變分束鏡2為分束比可變的分束鏡，對入射光束進行強度分 配。
[0008] 本發明中，所述的相位延遲器3為一光程可調機構，用于調節通過該相位延遲器的 光程。
[0009] 本發明中，所述的平面反射鏡為兩塊4和6,是高反射率平面鏡，用于將激發光束1 引導進入平面型折射率間隙結構。其中，激發光經可變分束鏡2分束后，一束激發光經相位 延遲器3，由平面反射鏡4反射，進入平面型折射率隙結構的基底層5;在基底層中，激發光束 以基底層與間隙層的全內反射角入射界面，發生全內反射，在間隙層中，產生倏逝波場。另 一束激發光經另一平面反射鏡6反射，進入平面型折射率隙結構的覆蓋層7;兩束光的強度 和相位分別由可變分束鏡和相位延遲器調節。
[0010] 本發明中，所述的基底層5和覆蓋層7為高折射率材料，均勻，且對相應激發光束1 為透明的材料，截面制成梯形，其底角一般可設計成光束與間隙層8的全內反射入射角，這 樣，光束對斜邊的入射角就可為〇度;其底邊平行相對；激發光束入射的斜面鍍增透膜，以 減少激發光的反射損耗。
[0011] 本發明中，所述的激光光束在基底層5和覆蓋層7與低折射率材料間隙層8的界面 的入射角為其達到全內反射的臨界角。
[0012] 本發明中，所述的低折射率材料間隙層8為空氣或可分散或可容納待測樣品的液 體，可由低折射率材料間隙層8的兩端導入和導出。間隙層的厚度一般小于10微米。
[0013]上述，所謂的"高反射率"，一般指反射率高于98%。"高折射率"、"低折射率"，是指 基底層5和覆蓋層7相對于低折射率材料間隙層8而言的，一般折射率相差不小于0.1。
[0014] 本發明優點： 1、 本發明的最大優點是倏逝場場區寬，場強均勻。這首先在于可以通過激光光束在一 側的入射，在全內反射的臨界角處，實現線性衰減的倏逝場，有別一般的指數型衰減的倏逝 場，場深度有所加大。如果在兩側同時引入相等強度和相同相位的激發光，由于兩側的線性 倏逝場的疊加，則在低折射率的間隙內，將會產生均勻分布的倏逝場，場的深度將是充滿整 個間隙，因此，可以形成場區寬，場強均勻的倏逝場，形成對待測量樣品的均勻激發，而不是 只局限于界面表層的少量激發； 2、 本發明的另一個優點是，場強分布可調節。這主要是可以通過調節兩束激發光的相 對相位，從而可以調節兩者的疊加程度。如果兩側的倏逝場幅度相同而相位不同，則間隙中 的倏逝場將是以間隙中間平面為對稱面，形成V字形的槽形倏逝場。而如果兩束激發光的幅 度不同，則可以形成多種分布形式的倏逝場。而兩側激光強度和相位的控制，可由可變分束 鏡2和相位延遲器3分別控制； 3、 本發明的第三個優點是，適用面寬：當所采用的材料及光源不同，可以在不同的光 譜區構建上述均勻倏逝場，因此，可以用于不同波段的測量； 4、 本發明的第四個優點是可進行傳感應用。當只在一側引入激發光束，若低折射率間 隙區的折射率明顯改變，則全內反射的臨界角會發生改變，從而改變全內反射的強度，在另 一側可能造成漏光。因此，監測另一側的漏光強度可以傳感間隙層內的折射率變化。
【附圖說明】
[0015] 圖1為一種產生均勻倏逝波場的方法示意圖。
[0016]圖2為圖1折射率隙結構中折射率沿X方向的空間分布。低折射率層厚度d=5微米。 兩側高折射率區域示意厚度為2微米。
[0017] 圖3為激發光從一側入射時，折射率隙結構中各區域光場幅度沿X方向的空間分 布，在界上的入射角為全內反射臨界角。
[0018] 圖4為激發光從兩側入射時，折射率隙結構中倏逝場的X方向分布及其隨兩側激發 光相對相位的差的變化關系。
[0019] 圖中標號：1為激發光束，2為可變分束鏡，3為相位延遲器，4為平面反射鏡，5為基 底層，6為平面反射鏡，7為覆蓋層，8為低折射率材料間隙層。
【具體實施方式】
[0020]根據圖1所示的結構，選定一個激光工作波長如：632.8nm氦-氖激光光源，選擇 所述平面型折射率隙結構中的兩塊高折射率平板材料：基底層5和覆蓋層7均為玻璃材料， 折射率為1.52，夾于其中低折射率材料間隙層8，選擇為水，折射率1.33，取低折射率材料 間隙層8(水層)厚度為d=5微米;基底層5和覆蓋層7的厚度遠大于此，因而可視為無窮大，但 在計算中取有限尺寸(2微米），整個結構的折射率分布如圖2所示。基底層5和覆蓋層7的梯 形斜面鍍多層介質增透膜，透射率不小于99%。
[0021 ] -束激發光經可變分束鏡2均勻分束后，一束經相位延遲器3，由平面反射鏡4反 射，進入基底層5。在基底層中，激發光束以基底層與間隙層的全內反射角(61.04°)入射界 面，發生全內反射，在間隙層(水層）中，產生倏逝波場。
[0022] 利用嚴格的耦合波理論，可將激發光在上述折射率隙結構中的光場的表達式寫 出，以橫電波(TE波)為例，在如圖1的坐標系中：
上式中下標s，g，c代表襯底，間隙，以及覆蓋層，E代表電場，A，B代表相關本征波的 系數。λ表波在相關區域的本征值，
，i=s，g，cj為沿Ζ方向的光的傳 播矢量。
[0023] 應用TE波電場矢量在邊界處的連續性條件，并假設入射光場在襯底與間隙層的邊 界上的光場幅度為1，則可得到在確定入射角的情況下的光場的表達式。特別是，在全內反 射的臨界角入射時，、疋^二〇,經過一定的代數運算，在一級近似的情況下，可得上述折射 率間隙層中的電場的表達式為：
可見這時的光場為一空間線性函數。圖3為激發光從一側入射，且光在邊界上的入射 角為全內反射臨界角時，圖1的折射率隙結構中各區域光場幅度沿X方向的空間分布，因此 光場在間隙層中的分布為一線性衰減分布，直接將兩個高折射率區域實現線性連接。
[0024] 如果此時激發光以對稱的方式從兩側高折射率區域同步入射，通過可變分束鏡2 和相位延遲器3將兩個光束調節到同相和同幅度，并且也是以全內反射的臨界角入射，則間 隙兩側產生的線性倏逝場完全相同，兩者相互疊加，可以產生如圖4中的"延時0度"時的均 勻光場。圖4中還同時顯示了當調節相位延遲器3使兩入射光束間有90度和180度相位延時 情況下的間隙內的光場分布。可見是以間隙中心為對稱面，從兩個邊界以相同的斜率下降 的V型槽的光場。改變兩束激發光的相對強度，還可以在間隙層中組合出更多形態的倏逝 波場。
[0025]從應用的角度上說，均勻倏逝場最適合在微納樣品的拉曼及熒光光譜分析中，作 結構分析；另外，當低折射率間隙中的折射率發生改變，從而改變了全內反射角，這樣反射 區與對面的透射區的光強都會有所變化，這也有利于光傳感的應用。因此，本發明在生物 學，材料學，化學等領域有廣泛的應用前景。
【主權項】
1. 一種產生均勻倏逝波場的系統，其特征在于包括:一個平面型折射率隙結構和一激 發光束引導機構;其中，所述平面型折射率隙結構由兩塊高折射率平板材料：基底層(5)和 覆蓋層(7)，以及夾于兩塊平板中間的低折射率材料間隙層(8)構成;所述的激發光束引導 機構由激發光束(1)、可變分束鏡(2)、相位延遲器(3)、兩塊平面反射鏡(4、6)構成;其中： 所述激發光束（1)為連續或脈沖激光光束； 所述可變分束鏡(2)為分束比可變的分束鏡，用于對入射光束進行強度分配； 所述相位延遲器(3)為一光程可調機構，用于調節通過該相位延遲器的光程； 所述兩塊平面反射鏡為兩塊(4、6)為高反射率平面鏡，用于將激發光束（1)引導進入平 面型折射率隙結構；其中，激發光經可變分束鏡(2)分束后，一束經相位延遲器(3)，由平面 反射鏡(4)反射，進入平面型折射率隙結構的基底層(5);在基底層中，激發光束以基底層與 間隙層的全內反射角入射界面，發生全內反射，在間隙層中，產生倏逝波場;另一束激發光 經另一平面反射鏡(6)反射，進入平面型折射率隙結構的覆蓋層;兩束光的強度和相位分別 由可變分束鏡和相位延遲器調節。2. 根據權利要求1所述的系統，其特征在于:所述的基底層(5)和覆蓋層(7)采用高折射 率材料，均勻，且對相應激發光束（1 )，為透明的材料，截面為梯形，其底邊平行相對，激發光 束入射的斜面鍍高透膜，以減少激發光的反射損耗。3. 根據權利要求1所述的系統，其特征在于:所述的激發光束在基底層(5)和覆蓋層(7) 與低折射率材料間隙層(8)的界面的入射角為全內反射的臨界角。4. 根據權利要求1所述的系統，其特征在于:所述的低折射率材料間隙層(8)為空氣或 可分散或可容納待測樣品的液體，可由低折射率材料間隙層(8)的兩端導入和導出。
【文檔編號】H01S5/10GK105932540SQ201610372668
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月31日
【發明人】劉建華, 張克, 陶李
【申請人】復旦大學