导模共振设备的制造方法

导模共振设备的制造方法
【专利摘要】一种导模共振设备，包括：?基板，?波导，?与所述波导关联的光栅结构，所述光栅结构布置到所述基板的入射表面，所述入射表面意在接收由至少一个光源提供的入射光束，所述入射光束具有相对于所述波导的法线限定的入射角，所述光栅结构包括至少一个基本结构，所述至少一个基本结构包括至少第一类型光栅结构和至少第二类型光栅结构，?其中：?所述波导布置为将光从第一类型光栅结构传递到第二类型光栅结构，并且还将光从第二类型光栅结构传递到第一类型光栅结构，?所述第一类型光栅结构布置为出射耦合第一光束，?所述第二类型光栅结构布置为出射耦合第二光束，?所述第一光束具有与所述第二光束不同的光谱分布。
【专利说明】
导模共振设备
技术领域
[0001]本发明涉及光学器件领域，更具体地涉及包含光波导的设备。更具体地说，本发明涉及导模共振设备及其在光学传感器、光学滤波器和安全设备中的应用。
【背景技术】
[0002]薄膜光学领域是光学技术中的重要领域。多种多样的滤波器和光学设备产生并用于许多行业和广泛的应用。这些薄膜光学结构、组装件和设备中的大多数由沉积有精确控制的厚度和材料参数的均匀层构成，通常它们在低压大气中实现，从而需要尖端技术。使用这样的多层滤波器的设备的示例包括但不限于:防反射滤波器、低通滤波器和高通滤波器、相位板、平板分束器、偏振滤光器、微反射镜。在这些设备中的数个设备中，薄膜光学结构可布置为使得它们的组合扩大了这些设备的潜在应用。
[0003]与这些薄膜光学设备关联的重大缺点在于:通常需要大量的层以获得显著的光学效应。不例外的是，堆叠层的要求的数量大于50。这些光学设备主要通过设备的不同堆叠层的界面之间的多重反射来起作用。控制这样的设备的光学性能的技术的复杂度可能相当高并因此昂贵。此外，与多个堆叠层关联的粘附和稳定问题可能成为问题。在光学堆叠内部的散射效应和不需要的反射是目前存在的问题，尤其是在将要获得特定的光学效应，例如在其中任何杂散光可能是限制因素的高品质滤波器、干涉量度法或大功率激光应用中产生该特定的光学效应的情况下。
[0004]光栅也已经广泛用作分散和过滤光束的设备。已经提出光栅和波导的组合来制作具有独特的性能的光学结构和设备，例如具有非常窄的带宽的滤波器。更具体地，由于共振波导光栅允许产生不能通过传统的光学元件实现的、特别令人感兴趣的光学效应，所以已在共振波导光栅领域进行了相当量的开发工作。
[0005]共振波导光栅还称为导模共振滤波器，由亚波长的光栅和薄膜波导的组合构成。这样的结构具有多层构造，且基本布置包括基板、薄的介电层或半导体波导层，以及可能还包括其中形成光栅的额外的层。当入射光通过光栅衍射并与波导的模式匹配时，发生所谓的共振。由于大多数光谱不耦合到波导中，所以在反射和透射中观察到强的光谱改变。在光栅开发的早期阶段已经发现这样的共振的存在(R.W.Wood，Phil.杂志，第4卷，第396-402页，1902)。这些共振属于光栅结构中的一种类型的异常衍射现象，意味着可在外部观察到的衍射级关于物理参数例如入射波的角度和/或波长的快速变化。在光栅制造的早期阶段，不能解释反射的突变。Hessel和Oliner(应用光学，第4卷，第1275-1297页，1965)指出基本上存在两种类型的光栅异常。一种称为瑞利型，它是典型的Wood异常，另一种称为共振型。瑞利型异常归因于传递到消散波的更高衍射级的能量。
[0006]衍射光栅中的共振异常在本专利申请的上下文中是特别令人感兴趣的，其归因于外部入射波到由结构支持的表面导波的耦合过程。这样的光栅异常可根据结构的类型分成两种类型，且可通过使用傅立叶-瑞利近似获得精确的结果。该方法不能应用于深的光栅槽的情况。数个作者研究来自弱的波纹波导的反射。深的光栅槽的收敛性问题可通过使用严格的仿真方法例如傅立叶-莫代尔方法(FMM)或严格耦合波分析(RCWA)来缓和。通过这些新的数学工具，过去十年已经提出和开发了很多设备。
[0007]导模共振结构的一个主要应用是在反射和透射时具有非常窄的光谱线宽的滤波器的设计。带宽可以设计为非常窄，大约0.lnm，且可通过参数例如光栅深度、占空比以及波导层的厚度来调整。Magnusson提出了波长选择性反射滤波器并研究了它们的线形(R.Magnusson和S.S.Wang: “用于光学滤波器的新原理(New principle for opticalfilters)”，Appl.Phys.Lett.，第61卷，第 1022-1024页，1992)。此外，共振光栅波导结构的系统分析已经由Rosenblatt和Sharon公布:
[0008]-D.Rosenblatt等人:“共振光棚.波导结构(Resonating grating waveguidestructures)” IEEE J.Quantum Electron.，第33卷，编号 11，第2038-2059 页，1997 ；
[0009]-A.Sharon等人:“用于可见光和近红外福射的共振光栅波导结构(Resonatinggrating-wavegudie structures for visible and near-1nfrared radiat1n)，，，J.0pt.Soc.Am.，第 14卷，编号 11，第2985-2993页，1997。
[00?0] Rosenblatt和Sharon在这些论文中解释了:在共振的向前传播和向后传播之间波能的高效传递归因于入射波和衍射波之间的相对相移，从而导致向前传播的波和向后传播的波的相消干涉和相长干涉。
[0011]具体地，共振波导结构的限制与镜面反射现象降低滤波器的性能的事实相关。当共振波导结构用于产生特定颜色时，这些镜面反射效应还可限制共振波导结构的性能。色调由内部反射效应和/或由于镜面反射导致的效应来限制。
[0012]导模共振设备还可用作传感器中的组件。通过将诸如气体或生化层的物质应用于与共振波导接触，可检测这些物质。传感器中导模共振设备的限制在于:与所述物质相互作用的波的相互作用长度受到限制，因此获得的效应小。
[0013]共振波导光栅用作传感器以检测气体的存在的示例在L.Davoine等人的文章中描述，该文章是“基于波导光栅的化学敏感层的共振吸收(Resonant absorpt1n of achemically sensitive layer based on waveguide gratings)，，，应用光学，第52卷，编号3，第340-349页，2013。在这样的设备中，主要缺点是沿着波导的光的固有泄漏，因此不能完全吸收共振光。另外，需要在可能的吸收增强和共振波导结构的共振带宽之间选择微妙的权衡。

【发明内容】

[0014]本发明的目的在于至少部分地克服如现有技术中描述的导模共振设备的限制，从而提供具有改进的可见光管理性能的导模共振设备。本发明的另一目的在于提高用作气体和生化传感器设备中的主要组件以及用作安全设备的、这样的导模共振设备的性能。
[0015]为此，本发明关注基于共振波导光栅的导模共振设备，至少两个光栅布置在该共振波导光栅上，通过交换由所述至少两个光栅上的入射光束提供的光而彼此通信。通过交换光，所述至少两个光栅产生具有不同的光谱分布的至少两个出射耦合的光束。
[0016]更确切地说，本发明的目的通过以下导模共振设备实现，该导模共振设备包括:
[0017]-基板，
[0018]-波导，
[0019]-与所述波导关联的光栅结构，所述光栅结构布置到所述基板的入射表面，所述入射表面意在接收由至少一个光源提供的入射光束，所述入射光束具有相对于所述波导的法线限定的入射角，所述光栅结构包括至少一个基本结构，所述至少一个基本结构包括至少第一类型光栅结构和至少第二类型光栅结构，所述第一类型光栅结构和至少第二类型光栅结构具有不同的光栅周期和/或不同的光栅方向。换句话说，所述第一类型光栅结构和至少第二类型光栅结构表现出不同的有效光栅周期，如将在后面详细说明的。
[0020]导模共振设备的波导布置为将光从第一类型光栅结构传递到第二类型光栅结构，且还将光从第二类型光栅结构传递到第一类型光栅结构。波导由折射率比邻近波导的与入射表面相对一侧的材料的折射率高至少0.05的材料制成。这允许多种多样的材料用于基板、波导以及位于基板和波导之间的任何可能的中间层。
[0021]第一类型光栅结构布置为将所述入射光束的第一部分入射耦合到所述波导中，以及第二类型光栅结构布置将所述入射光束的第二部分入射耦合到所述波导中。此外，第一类型光栅结构布置为将所述入射光束的所述第二部分的出射耦合部分从所述波导耦合出来，所述出射耦合部分限定第一光束，以及第二类型光栅结构布置为将所述入射光束的所述第一部分的出射耦合部分从所述波导耦合出来，所述出射耦合部分限定第二光束。所述第一光束具有与所述第二光束不同的光谱分布。通过该布置，至少两个光束可从导模共振设备的波导耦合出来。这样的布置可用于多种多样的光学应用，其中，具有宽的光谱分布的入射光束必须分成具有不同的光谱分布的两个单独的光束，并且其中，这两个光束的颜色应该是鲜艳的，并且其中，这两个所述光束之间的颜色对比必须高。本发明的导模共振设备还允许由于多次内部反射而具有非常低的杂散光水平，从而允许进一步提高这两个所述光束的颜色的质量和对比。
[0022]由导模共振设备产生的第一光束和第二光束中的每个具有相对于波导的法线限定的出射耦合角，以使所述第一光束和第二光束相对于波导的法线不对称于所述入射光束。该布置还称为非镜面布置，允许减少通常用于镜面光束的干扰和杂散光效应，其中，反射光束相对于金属或多层介电表面、设备的法线基本上对称于入射光束。因此，与将光束分成具有不同的光谱分布的至少两部分的其他光学设备相比，导模共振设备将具有优良的光学性质。此外，装置易于生产，所以也便宜。在通常情况下，第一出射耦合的光束和第二出射耦合的光束是分散的，对于不同的波长具有不同的出射耦合角。第一光束和第二光束中的每个可包含与光栅的不同的入射耦合共振和出射耦合共振对应的不同的光谱带。由于这些原因，出射耦合的第一光束或第二光束可包含以不同的角度出射耦合的不同的波段。所述第一光束和所述第二光束中的角状颜色分布可以是连续的或不连续的。
[0023]根据实施例，导模共振设备可包括至少一个基本结构，所述至少一个基本结构包括两个第一类型光栅结构，以及可布置在所述两个第一类型光栅结构之间的一个第二类型光栅结构。这样的布置允许延伸光学设计的灵活性，并允许生成多达三个不同的出射耦合的光束，其中每个出射耦合的光束具有不同的光谱分布。
[0024]导模共振设备的所述波导的材料可从包括Ti02、或Hf02、或Ta205、或Zr02、或A1N、或A1203、或ZnO、或Si02、或Si3N4、或MgF2、或CaF2、或MgO、或它们的组合的组中选择。材料的这种宽的选择允许导模共振设备用于广泛的应用，其中每个应用需要所述出射耦合的光束的特定的光谱分布。
[0025]在优选的实施例中，导模共振设备的所述光栅结构布置在所述基板的面对所述入射光束的表面上。这允许获得出射耦合的光束之间的良好的颜色对比。
[0026]在实施例中，中间层布置在所述基板和所述光栅结构之间。所述中间层的布置允许延伸设计的可能性，且还可用于提高导模共振设备的所述波导和所述基板之间的折射率匹配。
[0027]所述第一光束和所述第二光束中的每个可以是可见光束，或者可以是近红外光束，或者可以是红外光束，或者可以是UV光束，或者它的光谱分布可覆盖这些不同范围的一部分。第一光束和第二光束可以位于相同的波长范围内或位于另一波长范围内。针对不同的波长设计和布置导模共振设备的光栅结构和波导的可能性，允许相当程度地扩大位于UV、可见光和红外范围或这些范围的组合中的可能的应用的数量。
[0028]所述第一光束和所述第二光束的光谱带宽小于250nm，优选地小于lOOnm，以及所述带宽的中心波长相差超过1nm，优选地超过30nm，更优选地超过50nm。大的带宽允许设备用于以下应用，其中眼睛观察到导模共振设备的出射耦合的光束，或当需要高的出射耦合的功率强度时。设备的适应使得出射耦合的光束具有小的带宽，允许设备用于特定应用例如在气体和/或生化感测应用的领域。
[0029]在实施例中，所述第一光束和所述第二光束具有与所述入射角相差超过10°的出射親合角。在一个变体中，所述第一光束和/或所述第二光束的孔径(aperture)小于10°，优选地小于5°，更优选地小于2°。设计和布置第一类型光栅和第二类型光栅以使不同的出射耦合角中的每个具有相同或不同的孔径的可能性，允许进一步提高设计能力，因此增加可能的应用的领域。
[0030]在实施例中，导模共振设备可包括所述基本结构的阵列。所述阵列可包括至少两个基本结构，所述阵列的每个基本结构布置为与相邻的所述基本结构即通过交换光而协作。使不同的基本结构适应于阵列中，允许进一步扩展设备的设计变体。所述基本结构用于阵列的一个主要优点是提高表面覆盖度和每单位表面的出射耦合的光功率密度。这进而可转变为观察到的出射耦合的光的更高的可见性或灵敏度。在设计阵列时，特别令人感兴趣的是，每个所述光栅结构将光入射耦合和出射耦合到与之相邻的光栅结构，/入射耦合和出射耦合来自与之相邻的光栅结构的光，以最大化出射耦合的光的功率密度。
[0031]在另一实施例中，至少第三类型光栅结构布置在所述阵列中，且所述第三类型光栅结构布置为与所述第一类型光栅结构相邻或与所述第二类型光栅结构相邻。所述第三类型光栅结构布置为将所述入射光束的第三部分入射耦合到所述波导中，所述第三部分通过所述波导传递到所述第一类型光栅结构或传递到所述第二类型光栅结构。所述第三类型光栅结构进一步布置为将所述入射光的所述第一部分的一部分或所述入射光的所述第二部分的一部分从波导出射耦合出来，所述出射耦合部分限定第三光束。第三光束具有与所述第一光束或所述第二光束的光学特性类似的光学特性。将第三类型光栅布置在基本光栅结构中，允许增强设备的设计的可能性。
[0032]在实施例中，至少包括第三类型光栅的至少两个基本结构的阵列布置到导模共振设备，且所述阵列的每个基本结构布置为通过交换光与相邻的所述基本结构协作。
[0033]在进一步的实施例中，基本结构可布置为二维阵列。所述阵列可包括基本结构的平行的行，或者可包括基本结构的不平行的行。将所述基本结构布置为阵列，允许进一步扩展导模共振设备的设计的灵活性，且还扩展可能的应用的范围。
[0034]在另一实施例中，所述基本结构可包括至少一个另外的光学结构。所述另外的光学结构可以是光栅结构或者可以是微透镜阵列。在一个变体中，另外的光学结构布置为与所述基本结构相邻。所述另外的光学结构可以是光栅结构或者可以是微透镜阵列。将所述另外的光学结构包含在导模共振设备中，允许提高设备的功能，例如通过集成允许核实杂散光和/或引导的总的光强度从而能够检查设备的功能的光学结构来提高设备的功能。在光学安全应用中，可包含与所述基本结构或多或少地接近的其他光学安全元件。这样的光学安全元件可以是全息图、零阶设备、摩尔纹、微透镜、反射或散射表面、光耦合器、光变油墨、不可变油墨或它们的组合。
[0035]在实施例中，涂层布置到所述波导的面对所述入射光束一侧，所述涂层至少布置在所述波导的一部分上。使涂层适应于设备，可用于保护处于一些应用中的设备。作为示例，该涂层可设计为光学覆盖层，从而给所述基本结构提供机械和环境稳健性。
[0036]本发明还涉及气体感测设备，该气体感测设备包括根据本发明的导模共振设备，并且其中，所述导模共振设备布置为使得通过基板、波导、光栅或它们周围的层(例如，所述中间层或所述涂层)的材料中至少一个的介电常数的改变，而改变所述第一光束和/或所述第二光束的光谱分布。由于与所述基本结构接触的所述气体的浓度的改变，介电常数的这种改变可影响这些材料中至少一个的折射率或吸收系数。基于通过改变的气体浓度产生折射率的改变的效应的设备，允许制作简单、便宜且快速的气体感测设备。通过由不同材料功能化的不同的所述基本结构或不同的所述基本结构的阵列的组合，允许设计不同的气体灵敏度、选择度和动力学，以检测和监测各种气体混合物的存在。
[0037]在实施例中，气体感测设备包括光学系统，该光学系统布置为重定向和/或改变所述第一光束和/或所述第二光束和/或所述入射光束的散度(divergence)。气体感测设备可包括至少一个光电探测器，以测量所述第一光束或所述第二光束中至少一个的强度。基于根据本发明的导模共振设备的气体感测设备允许实现小型化的和被动的气体感测设备，以及还允许通过所述第一光束和第二光束的光谱分布的改变的即时检测，对气体的快速检测。
[0038]本发明的目的还通过用于气体感测的方法获得，该方法包括以下步骤:
[0039]-提供如之前提到的气体感测设备，
[0040]-将光源布置到气体感测设备的所述光栅结构一侧，或者使用来自使用环境的光源，
[0041]-将气体引入到导模共振设备的直接环境中，或者改变导模共振设备的直接环境中的气体的浓度，所述气体布置为接触所述光栅结构和所述波导，
[0042]-通过眼睛观察或者通过至少一个光电探测器检测所述第一光束和所述第二光束的光谱分布的改变。
[0043]根据本发明的检测气体的方法允许提供检测特定气体的简单、便宜且快速的方式。这样的气体的示例是铵。根据本发明的检测气体的方法可使用非常基本的光学系统，或者可在不存在额外的光学元件的情况下执行，从而允许通过眼睛简单地观察所述出射耦合的光束的颜色而检测气体。
[0044]本发明还涉及生化物质的生化感测设备，该生化感测设备包括根据本发明的导模共振设备，并包括设计为与所述生化物质反应的生化层。所述生化层布置为与所述波导和/或所述光栅结构接触，以及所述生化感测设备布置为使得通过所述生化物质与所述生化层反应，而改变所述第一光束和/或所述第二光束的光谱分布。根据本发明的生化感测设备允许制作可以是一次性的、简单且便宜的设备。对于本领域技术人员而言显而易见的是，公开的用于气体感测、将化学浓度的改变转换成光学行为的改变的转换机构，可设计和优化成具有另一特定功能，以检测其他化学物质。
[0045]在实施例中，生化感测设备包括固定层，所述固定层布置为包含所述生化层。
[0046]在实施例中，生化感测设备的固定层是聚合物层、多孔质层或凝胶层。所述固定层到设备的适应设计为提供特定的化学结合和/或物理吸附和/或化学反应，这将产生接近于所述波导和/或所述光栅结构的光的介电常数的改变。
[0047]本发明的生化感测设备可包括光学系统，该光学系统布置为重定向和/或改变所述第一光束和/或所述第二光束和/或所述入射光束的散度。
[0048]本发明的设备还可包括至少一个光电探测器。所述光学系统和光电探测器可类似于在本发明的气体感测设备中实施的光学系统和光电探测器。使光学系统适应于所述生化感测设备，允许设计传感器平台，该传感器平台适于多种多样的可能的构造，例如护理诊断点。
[0049]本发明的目的还通过用于感测生化物质的方法获得，该方法包括以下步骤:
[0050]-提供根据本发明的生化感测设备，
[0051]-将光源布置到导模共振设备的所述光栅结构一侧，或者使用来自其中使用生化感测设备的环境的可用光源，所述光源可以是太阳光或人工光源，
[0052]-应用所述生化物质，以使之分散，输送或移动到与所述生化层接触，
[0053]-激发所述物质和所述生化层之间的反应，例如结合反应和/或吸附反应，
[0054]-通过眼睛观察或者通过光电探测器检测所述第一光束和所述第二光束的光谱分布的改变。
[0055]根据本发明的检测生化物质的方法允许提供检测特定生化物质的简单、便宜且快速的方式。这可用于例如生物监测或诊断。这样的生化物质的示例是抗体。根据本发明的检测生化物质的方法可使用非常基本的光学系统，或者可在不存在额外的光学元件的情况下执行，从而允许通过眼睛简单地观察所述出射耦合的光束的颜色而检测一个或多个生化物质。
[0056]本发明还涉及安全文档和/或包括如上面提到的所述导模共振设备的重要文档。通过导模共振设备出射耦合的至少第一光束和第二光束的颜色亮度允许实现具有光变效应(例如在可变的照射角和/或观察角时强度和颜色的改变)的可见的安全信号，即高度对比的颜色。
【附图说明】
[0057]在阅读下面的详细描述和附图之后，本发明的上述目的和优点将对本领域普通技术人员变得更加显而易见，在附图中:
[0058]-图1示出了导模共振设备的截面；
[0059]-图2a示出了包括第一类型光栅结构和第二类型光栅结构的基本光栅结构；
[0060]-图2b示出了包括位于波导和基板之间的中间层的基本光栅结构；
[0061 ]-图3示出了导模共振设备的仿真；
[0062]-图4a、4b、4c示出了包括至少两个第一类型光栅结构的基本光栅结构的不同的实施例；
[0063]-图5示出了包括第一类型光栅结构、第二类型光栅结构和第三类型光栅结构的另一基本光栅结构；
[0064]-图6示出了其中每个包括第一类型光栅结构和第二类型光栅结构的、两个协作的基本结构的线性阵列；
[0065]-图7a、7b示出了其中每个包括三个不同类型的光栅结构的、两个协作的基本结构的线性阵列；
[ΟΟ??]-图8a、8b、8c示出了基本光栅结构的不同构造；
[0067]-图9示出了基本光栅结构的二维(2D)阵列；
[0068]-图10示出了包括基本光栅结构的线性阵列的导模共振设备的俯视图；
[0069]-图11示出了包括导模共振设备的气体感测设备；
[0070]-图12示出了包括导模共振设备的生化传感器；
[0071]-图13示出了包括导模共振设备的安全元件。
【具体实施方式】
[0072]在文献中充分地描述共振波导光栅(RWG)，RWG还称为漏模滤波器或还称为导模共振滤波器或导模共振设备。这些设备的功能原理基于可在波导光栅结构中发生的共振现象。共振波导光栅由亚波长光栅和薄膜波导的组合构成。亚波长光栅用作用于波导的入射耦合的光栅。当通过光栅衍射的入射光的一部分与波导的模式匹配时，发生共振。由于光栅上的入射光的大多数光谱不耦合到波导中，所以可在反射和/或透射中观察到强的光谱改变。共振效应、其理论解释及其应用，已经在过去广泛地描述，且将不在此进一步评论。关于该主题的相关信息可在下面的参考文献中找到:
[0073]-Hessel 和 Oliner:应用光学，第 4 卷，第 1275-1297 页，1965);
[0074]-R.F.Delmdahl等人:“共振光栅波导的光谱分辨率分析(Spectral resolut1nanalysis of resonant grating waveguides)，，，Mat.Wiss.u.Werkstofftechc.，38，编号3,2007；
[0075]-D.Rosenblatt等人:“共振光棚.波导结构(Resonating grating waveguidestructures)” IEEE J.Quantum Electron.，第33卷，编号 11，第2038-2059 页，1997 ；
[0076]-A.Sharon等人:“用于可见光和近红外福射的共振光栅波导结构(Resonatinggrating-wavegudie structures for visible and near-1nfrared radiat1n)，，，J.0pt.Soc.Am.，第 14卷，编号 11，第2985-2993页，1997。
[0077]本发明的导模共振设备I的优选的实施例在图1中示出。所述优选的实施例构造包括以下基本构造:
[0078]-基板10，包括适于接收光束40的入射光表面，所述入射光表面也定义为入射表面，也定义为基板平面，
[0079]-基本光栅结构，布置在所述基板10上，适于接收光束，并包括具有两个不同的光栅周期的至少两个不同的光栅结构，所述两个不同的光栅结构定义为第一类型光栅结构22和第二类型光栅结构24，
[0080]-波导层30，也定义为波导30，布置在所述基本光栅结构2上，所述波导30布置为对通过所述两个不同的光栅结构耦合到所述波导30中的光的至少一部分进行引导。
[0081]为了清楚起见，X方向、y方向和z方向限定为:z方向是限定为垂直于所述入射表面的法线方向的方向。X方向限定为基本上是耦合到所述波导层30中的光的行进方向4 (该行进方向也定义为引导方向)，以及y方向在波导30的平面中限定为垂直于X方向。7方向基本上对应于光栅线的方向，光栅线也定义为光栅图案，如进一步限定的。由于在z方向上限定的波导厚度非常小，所以x-y平面基本上限定了基板平面。所述X方向、y方向和z方向在图1中示出。
[0082]入射光束40也定义为入射光40，可以是可见光、近红外光、红外光或UV光或这些波长范围的组合光。如本文使用的词语“可见”意思是具有在400nm和680nm之间的波长的光，“近红外”意思是具有在680nm和2μπι之间的波长的光，“红外”意思是具有大于2μπι的波长的光，以及“UV”光意思是具有小于400nm的波长的光。
[0083]基板10优选地基本上是均匀层，优选地是玻璃基板10，或者更优选地是聚合物基板10。最终，基板10可包含额外的层，例如但不限于:粘附层、阻挡膜层或保护涂层。基板10可以是刚性基板10或者可以是柔性猜基板10。基板10的厚度可在5微米和20mm之间，优选地在0.5mm和3mm之间。所述基板1可以对所述入射光束40的至少一部分不透明。基板1的折射率具有比波导30的折射率至少小0.05的值。
[0084]在优选的实施例中，所述光栅结构直接布置在所述基板10的所述入射表面上。所述光栅结构可优选地但不限于通过压花技术或UV铸造技术或干反应离子蚀刻(DRIE)-反应蚀刻技术而实现，从而导致所述基板10的所述入射光表面的结构化。所述第一类型光栅结构22和所述第二类型光栅结构24包括光栅图案，光栅图案也定义为光栅元件，布置为耦合入射在所述光栅结构上的光。所述光栅元件可基本上是二元的，和/或正弦形的，和/或摆线形的光栅元件。所述第一类型光栅结构22和所述第二类型光栅结构24是具有不同的有效光栅周期的不同类型的光栅结构。有效周期可以限定为在X方向上的周期。以下参数也可适用于不同的光栅类型:
[0085]-光栅深度(d)，限定在光栅图案的最高点和最低点之间，所述光栅深度具有亚波长尺寸，
[0086]-光栅元件的宽度(W)，具有亚波长尺寸，
[0087]-特征尺寸，定义为光栅元件的深度和宽度之间的比值d/w，
[0088]-光栅元件的形貌，限定在由入射光束40和通过所述光栅元件衍射的光束限定的X-Z平面中，
[0089]-位于基板10的表面的x-y平面中的光栅的图案的形状，
[0090]-位于x-y平面中的光栅的方向。
[0091]在本申请中，在x-y平面中相对于波导30具有不同方向的两个相似的光栅也定义为不同类型的光栅，其原因是它们相对于波导30的传播方向(X方向)的有效周期是不同的。所述第一类型光栅结构和所述第二类型光栅结构必然具有沿着光束在所述波导30内部的传播方向不同的有效光栅周期。这可通过具有两个光栅类型来实现，这两个光栅类型具有不同的周期，或者基本上具有相同的周期但是在x-y平面中相对于所述X方向(x方向基本上是行进方向，该行进方向也定义为进入所述波导层30中的光的引导方向)具有不同的光栅方向。这种情况转化成:第一光束42和第二光束44以相对于法线或z方向不对称于入射光束40或者不平行于所述入射光束40的角度出射耦合。
[0092]作为示例，在可见光应用中，光栅的光栅深度在5nm和300nm之间，优选地在1nm和60nm之间。光栅深度和光栅周期具有亚波长尺寸，该亚波长尺寸选择为使得对于将要耦合到波导30中的波长范围，实现中等到高的耦合效率。中等耦合效率允许输送到所述共振波导光栅22中的光4不会太有效地出射耦合以及进一步远离地传播到所述波导30中。在共振波导光栅22的区域中进一步的输送距离能够对耦合到波导30中的光更强的彩色或波长滤波。
[0093]所述第一类型光栅结构22和所述第二类型光栅结构24中的每个可具有在如上所述的X方向和/或y方向上限定的不同的尺寸。
[0094]所述第一类型光栅结构22和所述第二类型光栅结构24可包括涂层，该涂层意在提高衍射效率和使光入射耦合到波导30中。所述涂层可以是多层涂层。
[0095]人们可以参考由
【申请人】递交的专利申请PCT/EP2013/065631，以获得关于所述第一类型光栅结构22和/或所述第二类型光栅结构24的实现方法的细节。所述第一类型光栅结构22和所述第二类型光栅结构24的实现方法不限于在PCT/EP2013/065631中公开的实现方法。应该注意到的是，在专利申请PCT/EP2013/065631中讨论的结构被优化以用于耦合到大的多模波导中，而在本文献中，单模波导、双模波导、三模波导是最令人感兴趣的。超过3种模式的多模波导也是可行的。
[0096]所述波导层30也定义为波导30，优选地是沉积在所述第一类型光栅结构22和所述第二类型光栅结构24的所述光栅元件上的波导涂层，且还可沉积或布置在基板10的表面的、使所述第一类型光栅结构和所述第二类型光栅结构24分开的那一部分上。所述第一类型光栅结构22和所述第二类型光栅结构24可彼此相邻。所述波导层30布置在所述第一类型光栅结构22和所述第二类型光栅结构24上，以使位于所述第一类型光栅结构22和所述第二类型光栅结构24上的入射光40的一部分耦合到导模共振设备I的波导30中。所述波导30的材料可从包括Ti02、或Hf02、或Ta205、或Zr02、或A1N、或A1203、或ZnO、或Si02、或本征硅、或掺杂硅、或Si3N4、或MgF2、或CaF2、或MgO、或它们的组合的组中选择。所述波导层30是具有在y方向上限定的、与所述光栅元件的也是在y方向上限定的宽度基本上相同的宽度的层。所述波导30可在y方向上比光栅结构大，以及在如图9中进一步示出的，所述导模共振设备I的阵列在基板10上形成图案的情况下，所述波导30可在整个基板10的表面上延伸。所述宽度通常是ΙΟμπι到100mm，优选地是50μηι到ΙΟΟΟμηι。所述波导30的在z方向上限定的厚度取决于将要入射耦合到所述波导30中的光的波长，通常是但不限于1nm到lOOOnrn。所述波导30可基本上具有条带形状。波导30可以是笔直的波导30或者可以是弯曲的波导30，如在x-y平面中限定的。波导30可具有在x-y平面中限定的更复杂的形状，例如L形。波导30可布置为相交的波导30，在这种情况下，波导布置基本上具有X形，其中每个波导30至少包括第一类型光栅结构和第二类型光栅结构24。
[0097]所述第一类型光栅结构22和所述第二类型光栅结构24的所述光栅参数有利地选择为使得所述第一类型光栅结构22和所述第二类型光栅结构24中的每个使所述入射光束40的不同部分耦合到所述波导30中。所述第一类型光栅结构22将入射光40的第一部分32入射耦合到所述波导30中，以及所述第二类型光栅结构24将入射光40的第二部分34入射耦合到所述波导30中。所述第一部分32和所述第二部分34可基本上具有相同的强度，但是不一定如此。在一些应用中，所述第一部分32和所述第二部分34的导光功率可以相差2倍或甚至更大的倍数，例如10倍。第一类型光栅结构22布置为将所述入射光束40的所述第二部分34的出射親合部分从所述波导30親合出来，所述出射親合部分限定第一光束42，以及第二类型光栅结构24布置为将所述入射光束40的所述第一部分32的出射耦合部分从所述波导30耦合出来，所述出射耦合部分限定第二光束44。在本文献中，术语“通信”在下文中定义为通过一个光栅类型将通过另一光栅类型入射耦合到波导30的另一位置的光束的一部分从波导30出射耦合出来。术语“通信”还包括以下情况，其中，两个不同的光栅类型中的每个是通过所述两个不同的光栅类型中的另一个入射耦合的光的出射耦合器。所述第一光束和第二光束的光功率密度优选地基本上是相同的，但是它们还可以是不同的。所述第一光束42具有与所述第二光束44不同的光谱分布。
[0098]所述第一光束42和所述第二光束44中的每个具有优选地与所述入射角相差超过10°的出射耦合角。在一个变体中，所述第一光束42和/或所述第二光束的孔径小于10°，优选地小于5°，更优选地小于2°。
[0099]第一光束42和第二光束44将以取决于入射光束角和考虑的波长范围的角度传播到所述导模共振设备的外部。对于特定的波长范围，通过选择和优化所述第一类型光栅结构22的光栅参数、所述第二类型光栅结构24的光栅参数以及波导30的材料和厚度，确定所述第一部分32和第二部分34。根据应用和通过导模共振设备I实现的期望的光效应，执行所述选择和优化。
[0100]图3示出了用于具有以下参数的导模共振设备I的共振位置的仿真结果:
[0101]-第一类型光栅结构的光栅周期:270nm;
[0102]-第二类型光栅结构的光栅周期:350nm;
[0103]-光栅深度:40nm;
[0?04]-波导厚度(在z方向上):lOOnm;
[0105]-波导折射率:2.4;
[0106]-基板10的折射率:1.5;
[0107]-在光栅结构的入射光40侧，气体(空气)的折射率:1；
[0108]-与基板法线的入射耦合角:33°。
[0109]图3示出了对于周期是270nm和350nm的光栅以及入射角是33°，上述结构的耦合共振的位置。
[0110]光在如下的中心波长附近通过第一类型光栅22入射耦合到波导30中，以及在以下角度附近通过第二类型光栅24出射耦合:
[0111]-对于第TM-1衍射级，在450nm时，输出角是11°;
[0112]-对于第TE-1衍射级，在515nm时，输出角是8°。
[0113]光在如下的中心波长附近通过第二类型光栅24入射耦合到波导30中，以及在以下角度附近通过第一类型光栅22出射耦合:
[0114]-对于第TM+1衍射级，在556nm时，输出角是4°;
[0115]-对于第TE+1衍射级，在635nm时，输出角是0°。
[0116]在本示例中，来自以33°的角度照射出入射光束40的光源的光，在用于第一类型光栅22和第二类型光栅24中的每个的两个不同的波长下，入射耦合导模共振设备1，对于用于每个类型的光栅的TE极化和TM极化中的每个，发生一个共振并将传播到另一光栅类型。衍射级符号(对于第一类型光栅22是负的，而对于第二类型光栅24是正的)允许波导30中入射耦合的光束沿着相反的方向传播。在对于给定的照射方向，第一光栅类型22和第二光栅类型24正确地布置在彼此的左边或右边时，波导30中的传播模式将到达相对的光栅类型并出射耦合到第一光束和第二光束中。这4个耦合模式将通过另一类型的光栅以各种角度从波导30出射耦合，且每个耦合模式具有独特的极化。作为示例，在光谱带宽的中心在515nm时，通过第一类型光栅22耦合的第TE-1衍射级将通过第二类型光栅24以大约8°出射耦合。
[0117]所述第一类型光栅结构22和所述第二类型光栅结构24可彼此相邻地布置，或者如图2a中示出的，它们可通过所述波导30的一部分分开，所述一部分定义为分开部分35，所述分开部分35连接所述光栅结构。所述分开部分35的长度的选择取决于应用。在导模共振设备I用于感测应用的情况下，所述分开部分35尽可能大地选择，从而允许增强通过波导30引导的波的消散部分和与所述波导30接触的直接环境的相互作用。分开部分35的长度选择为在受到沿着波导的光损失和基本光栅结构的数量影响的、所述第一光束和所述第二光束的每单位表面面积上的光功率密度与期望的灵敏度之间获得折衷。所述折衷取决于具体应用。
[0118]所述分开部分35的通常的长度是5μηι到5mm，优选地是20μηι到0.5mm。例如在每单位面积上出射耦合的功率密度是主要期望的光学性质的、用于安全设备的应用中，所述分开部分35的长度可基本上是零。在这种情况下，所述光栅结构基本上彼此相邻地布置并通过波导30连接，波导30在X方向上的长度基本上是第一类型光栅结构22和第二类型光栅结构24的在X方向上限定的长度之和。
[0119]所述第一类型光栅结构22和所述第二类型光栅结构24的在传播光的方向(基本上是X方向)上的优选尺寸在3μηι和2mm之间，优选地在20μηι和0.5mm之间，且取决于考虑的波长范围。所述入射光束40的、垂直于所述入射光束40的传播方向限定的截面，可完全地或部分地覆盖在所述导模共振设备1、所述第一类型光栅结构22和所述第二类型光栅结构24的所述入射表面。入射光束40可以是至少部分地覆盖所述第一类型光栅结构22和所述第二类型光栅结构24的单个光束。入射光束40可至少包括第一入射光束部分和第二入射光束部分，所述入射光束部分中的每个至少部分地照亮所述第一类型光栅结构22或所述第二类型光栅结构24。
[0120]入射光束40的截面的直径取决于导模共振设备I的特定构造，通常是0.1mm到30mm，优选地是1mm到200mm。入射光束40可通过基本上的准直光源提供，或者可通过漫射光源提供。光源可包括数个光源。
[0121]包括不透明层和至少一个孔径的、意在对于入射光束40的一部分光谱至少部分地阻挡入射光40的掩膜，可布置到导模共振设备I。所述掩膜可至少包括面对所述第一类型光栅结构22和所述第二类型光栅结构24和/或所述波导30的开口。所述掩膜可与滤光器组合。所述掩膜可布置为至少减少一部分杂散光。滤光器可布置在所述导模共振设备I上。所述滤光器可与所述掩膜组合。
[0122]在另一实施例中，如图4a、4b、4c中示出的，所述基本光栅结构2可包括至少两个第一类型光栅结构。在图4a、4b中示出的优选的变体中，所述第二类型光栅结构24布置在所述两个第一类型光栅结构22之间。在图4a、4b的所述优选的变体中，入射光束40的第一部分32通过第一类型光栅结构22中的至少一个入射耦合，以及该第一部分32的至少一部分通过所述第二类型光栅结构24出射耦合。在所述优选的变体中，入射光束40的第二部分34通过第二类型光栅结构24入射耦合，以及该第二部分34的至少一部分通过所述第一类型光栅结构22中的一个出射耦合。在图4a、4b中示出的所述优选的变体中，所述两个第一类型光栅结构22中的一个布置为出射耦合器，而所述两个第一类型光栅结构22中的第二个布置为入射耦合器。
[0123]在图4a、4b的实施例的变体中，如图4c中示出的，所述两个第一类型光栅结构22中的一个可布置在所述第二类型光栅结构24和所述第一类型光栅结构22中的第二个之间。
[0124]所述第一类型光栅22和所述第二类型光栅24之间的光的交换即协作，可在波导30中的相同的传播方向上进行，或者可在两个相反的方向上进行，如图4a、4b、4c中示出的。
[0125]在图5中示出的进一步的实施例中，超过2种不同类型的光栅结构可布置在基本光栅结构的阵列中。图5示出了包括第一类型光栅结构22、第二类型光栅结构24和第三类型光栅结构26的基本光栅结构。图5的导模设备出射親合3个不同的光束42、44、46。所述光束42、44、46中的每个可具有不同的颜色，且每一个可具有不同的光束形状。
[0126]图6示出了另一实施例，其中在导模共振设备I中，图2的实施例的至少两个基本光栅结构布置为线性阵列。
[0127]在图7a、7b中示出的另一实施例中，如在段落
[0066]中定义的且在图5中示出的至少两个基本光栅结构布置为线性阵列。在图7a、7b的实施例中，所述至少两个基本光栅结构通过在两种不同类型的光栅结构之间交换光而协作。所述两种不同类型的光栅结构可在单个基本光栅结构2内部在彼此之间协作，和/或布置在至少两个分开的基本结构中的两种不同类型的光栅结构可协作。即使当两种不同类型的光栅结构布置在通过至少另一个基本光栅结构2分开的两个基本光栅结构2中时，也可执行所述光栅结构之间的协作。
[0128]图8a、8b、8c示出了基本光栅结构2的线性阵列的数个示例性布置。阵列中不是所有的基本光栅结构需要在每个基本光栅结构中具有相同的光栅结构布置。
[0129]在图8a中，例如示出了阵列，其中，两个基本光栅结构中的每个包括分别定义为Gl、G2、G3的第一光栅结构22、第二光栅结构24和第三光栅结构26。在图8a的示例中，通过第一基本光栅结构的G1、G2、G3入射耦合的光分别通过第二基本光栅结构的G2、G3、G1出射耦合。图8b和8c示出了图8a的可选布置，其中，分别定义和示出为Gl、G2、G3、G4的4个不同的光栅类型布置为出射耦合器和/或入射耦合器。图Sb示出了数个示例性出射耦合的光束42、44、46。显而易见的是，基本光栅结构2的可能的组合的数量以及布置在基本光栅结构的阵列中的所述基本光栅结构中的光栅结构的类型的数量不限于图8中示出的示例。
[0130]在另一实施例中，基本光栅结构的线性阵列可至少包括布置在相邻的基本光栅结构之间的额外的光栅结构25。这在图Sb中示出。所述额外的光栅结构可以是除了所述基本光栅结构2的光栅结构之外的另一类型。在一个变体中，至少微透镜阵列可布置在两个相邻的基本光栅结构2之间。在另一实施例中，基本光栅结构2可至少包括微透镜阵列。所述微透镜阵列可布置为与基本光栅结构2相邻。在一个变体中，基本光栅结构2可包括不与所述基本光栅结构2的其他光栅结构协作的额外的光栅结构。所述额外的光栅结构可例如用于将光从波导30耦合出来并确定是否存在杂散光，从而允许确定导模共振设备I是否损坏，或者所述额外的光栅结构可用于强度参考目的。将所述额外的光栅结构和/或所述微透镜阵列布置到导模共振设备I的光栅结构和/或波导30，可允许给导模共振设备I实现额外的功能。
[0131]在本发明的另一实施例中，中间层可布置在基板10和光栅结构之间。所述中间层的折射率相对于波导层30的折射率高0.05。在另一实施例中，光栅结构可嵌入在所述波导30结构中。在进一步的实施例中，波导30结构可布置在所述基板10上，且所述光栅结构可布置在所述波导30上。允许实现共振波导30设备的、基板10、波导30以及光栅结构的可能的布置的数量，对本领域技术人员而言是公知的，将不在此进一步展开。
[0132]在进一步的实施例中，涂层可布置到导模共振设备I的入射光40侧。所述涂层可以是保护涂层，从而避免由于设备的操作导致可能的损坏。所述涂层可以是多层涂层。
[0133]在实施例中，如图9中示出的，基本光栅结构可布置为2D阵列。在所述2D阵列中，如描述的阵列的基本光栅结构的所有不同的布置都是可行的。特定光学布置可允许来自所述2D阵列的一行的出射耦合的光束混合到来自另一行的出射耦合的光束，以及来自所述2D阵列的一列的出射親合的光束混合到来自另一列的出射親合的光束，以将不同的第一光束42和第二光束44组合成更复杂的出射耦合的光束。在实施例中，所述2D阵列可包括额外的光栅结构。基本光栅结构2的2D布置尤其用于安全设备130领域，如进一步解释的。
[0134]在特定情况下，根据本发明，导模共振设备I可布置为应对至少两个光源的存在，至少一个光源布置到导模共振设备I的每一侧。
[0135]根据本发明的导模共振设备I的制造容易通过例如卷对卷工序进行。另一方面，设计和创造导模共振设备I所需的技术相当复杂和昂贵，这使得对于防伪和安全应用，设备特别令人感兴趣。
[0136]图10示出了包括第一类型光栅和第二类型光栅的线性阵列的示例性导模共振设备I的通常的实现，所述第一类型光栅和第二类型光栅通过连续的波导30连接并在彼此的类型之间通信。
[0137]导模共振设备I的可能的应用的数量和种类可以相当广泛。例如，设备可在气体感测设备、生化传感器或安全检测系统和设备中实施，如进一步概述的。导模共振设备I还可用作装饰元件，如光伏电池中的元件。其中布置有导模共振设备I的设备或系统可具有在毫米到厘米的范围内的通常的尺寸，但是在一些应用中，通常的尺寸可在米的范围内。对于可布置在设备或系统中的导模共振设备I的数量，不存在限制。
[0138]本发明还关注包括如上所述的导模共振设备I的气体感测设备100。所述气体感测设备100基于当所述气体的浓度改变时，由本发明的导模共振设备I的波导30引导的波的消散部分的吸收的改变。图11中示出的所述气体感测设备至少包括由波导30的部分35分开即由所述分开部分35分开的第一类似光栅结构22和第二类型光栅结构24。所述部分35的长度适合于需要检测的气体的类型。优选地，薄的化学敏感染料层至少布置到所述导模共振设备I的波导30。波导30的该部分允许由所述波导30引导的波的消散部分与所述化学敏感染料层相互作用。存在的或与所述化学敏感染料层直接接触地流动的气体，将通过化学敏感染料层改变所述消散波的吸收。该吸收通过导模共振而强力地放大。当所述吸收改变时，设备的出射耦合的光束的光谱分布将改变，并可容易地检测。如此产生的颜色效果是很好地可见的效果，其原因是眼睛对所述出射耦合的光束的颜色的相对改变非常敏感。当然，光谱分布的改变还可通过光学检测系统检测，如进一步解释的。
[0139]根据本发明的用于气体感测设备100的示例性构造在图11中示出。图11的实施例中的气体感测设备包括光源101和导模共振设备I。导模共振设备具有选择的侧向尺寸102和出射耦合的光束散度104、106，出射耦合的光束散度104、106中的每个由设备的所述基本光栅结构提供，使得不同的出射耦合的光束的一部分可朝着观察者的眼睛收敛。
[0140]在实施例中，所述气体感测设备100包括光学系统，以将导模共振设备I的出射耦合的光束重定向到检测器系统，该检测器系统优选地包括检测器阵列。
[0141]本发明的目的进一步通过用于通过使用如描述的气体感测设备100检测气体或气体浓度的改变的方法来实现。该方法包括以下步骤:
[0142]-提供如描述的气体感测设备100，
[0143]-将光源布置到气体感测设备1O的所述光栅结构一侧，
[0144]-引入气体，或者改变位于所述光源和导模共振设备I之间的气体的浓度，所述气体布置为接触所述光栅结构和所述波导30，
[0145]-通过眼睛观察或者通过光电探测器检测所述第一光束42和所述第二光束44的光谱分布的改变。
[0146]本发明还关注包括如上所述的导模共振设备I的生化感测设备120。化学传感器和生化传感器在日常生活中变得越来越重要。可向人们发出关于可危害生命的任何化学污染或危险化学物质和/或生物物质的警告的视觉传感器，特别令人感兴趣。当暴露到这样的生化物质时改变它们的颜色的不同的化学系统在出售，例如，当液体的酸性改变时改变它的颜色的PH检测试纸。例如用于检测包装食品的安全性的简单且便宜的传感器也令人感兴趣。基于纯化学方法的检测设备的主要缺点是它们的灵敏度低以及光学外观的改变小。本发明的生化感测设备允许改进这些限制。本发明的生化感测设备120基于由于本发明的导模共振设备I的模式共振的改变，导致导模共振设备的所述出射耦合的光束的光谱的改变。当在导模共振设备I的波导30的表面发生生化反应时。例如通过改变折射率，导模共振的共振条件改变，所以设备的出射耦合的光束的光谱分布改变。此外，本发明的导模共振设备I的波导30光栅的共振可用于强调所述波导30中引导波的消散部分的吸收的改变(归因于所述消散波与其中发生生化反应的所述生化层的相互作用)的视觉效果。通过选择所述生化感测设备的长的所述分开部分35，可相当程度地放大布置到导模共振设备的波导30的薄层内的光吸收。吸收的光的量取决于所述消散波的局部场幅度，由于生化反应和与所述消散波相互作用的物质的体积导致的本征吸收改变。
[0147]在图12中示出的实施例中，所述生化感测设备120包括布置到波导30的表面的生化层121。施加到所述生化层的物质可与所述生化层121反应并产生反应，使得波导30中传播的光4的消散场被部分地吸收，或者由于所述生化层的折射率的改变导致所述消散波的传播性质改变。所述吸收和/或所述折射率的改变改变了导模共振设备I的共振条件。所述共振条件的任何改变改变了至少所述第一光束和第二光束44的光谱特性，从而允许检测生化反应。固定层可布置到导模共振设备I，具体地到包括波导30的一部分的表面的一部分。所述固定层可提高生化层到基本上位于所述波导30上的检测区域的粘附性。在实施例中，聚合物层可布置在生化层121和波导30之间。在一个变体中，可布置凝胶。所述生化层或生化物质可布置或包含在所述凝胶中。
[0148]在实施例中，生化感测设备120包括光学系统，以重定向导模共振设备I的出射耦合的光束。这样的构造可类似于图11中示出的构造。
[0149]本发明还关注用于感测生化物质的方法，该方法包括以下步骤:
[0150]-提供如上所述的生化感测设备120，
[0151]-将光源布置到导模共振设备I的所述光栅结构的入射侧，
[0152]-将所述生化物质布置为与所述生化层接触，以激发所述物质和所述生化层之间的反应，
[0153]-通过眼睛观察或者通过光电探测器和适当的计算装置检测所述第一光束42和所述第二光束44的光谱分布的改变。
[0154]本发明的另一目的通过包括如上所述的导模共振设备I的安全设备130实现。所述安全设备130投射具有如通过眼睛观察的明亮的颜色的至少两个光束。根据本发明的这样的安全设备130的优点在于:实现安全元件的设备的最初成本是昂贵的。所以安全元件难以仿造。通过所述安全元件获得的颜色的质量优于通过现有技术的安全元件实现的颜色的质量。通过所述安全元件，例如如上面解释的，通过将所述基本光栅结构2布置为规则的或不规则的2D阵列，可获得特定的光谱效应。
[0155]可通过本发明的安全设备130获得的特定的光变效应可有别于现有技术中报道的设备，其原因是导模共振可设计以展现所述入射光束40的非常低的反射衍射，同时通过至少所述第一出射耦合的光束和/或第二出射耦合的光束展现非镜面可变的颜色效果。可在UV和/或可见光和/或IR光谱范围内设计这样的效果。实现具有本发明的导模共振设备I的安全设备130，可通过卷对卷复制技术产生并允许制造相对便宜的设备，该设备可与用于安全方面的具有高的安全度的其他光变设备组合，但是这些设备的原造技术和设计要求先进设备。基于所述导模共振设备I的这样的光学安全设备可用于通过独特的外观启动其光学控制同时难以复制或伪造，来保护重要文档，例如信托文档、身份证件、驾驶证或其他许可证以及重要商品。
[0156]此外，如上所述，将诸如微透镜的额外的结构或额外的光栅布置到基本光栅结构，可提供伪造所述安全设备130的难度。在大多数应用中，通过眼睛观察安全元件，通过以一定角度132旋转安全设备来观察颜色。通过改变设备的角度132，根据该角度132出现不同的颜色。安全设备130的基本光栅结构可布置为使得当在空间中旋转安全设备时，出现不同的颜色改变。所述旋转可在x-y平面中，在y-z平面中，或在所述平面中的两个中进行。在一个变体中，所述安全设备可插入至少包括光电探测器和适当的计算装置的检测系统中，从而允许分析从安全设备130的导模共振设备I耦合出来的至少所述第一光束22和所述第二光束44的光谱分布。优选地，安全设备可布置到文档，或者到需要保护和/或控制其识别的任何目标。
【主权项】
1.一种导模共振设备(I)，包括: -基板(10)，限定基板平面， -波导(30)， -与所述波导(30)关联的光栅结构，所述光栅结构布置到所述基板(10)的入射表面(12)，所述入射表面(12)意在接收由至少一个光源提供的入射光束(40)，所述入射光束(40)具有相对于所述波导(30)的法线限定的入射角，所述光栅结构包括至少一个基本共振光栅结构，所述至少一个基本共振光栅结构包括至少第一类型光栅结构(22)和至少第二类型光栅结构(24)， 其中: -所述波导(30)布置为将光从第一类型光栅结构(22)传递到第二类型光栅结构(24)，并且还将光从第二类型光栅结构(24)传递到第一类型光栅结构(22)， -所述波导(30)由折射率比邻近波导(30)的与入射表面(12)相对一侧的材料的折射率高至少0.05的材料制成， -所述第一类型光栅结构(22)布置为将所述入射光束的第一部分(32)入射耦合到所述波导(30)中， -所述第二类型光栅结构(24)布置为将所述入射光束(40)的第二部分(34)入射耦合到所述波导(30)中， -所述第一类型光栅结构(22)布置为将所述入射光束的所述第二部分(34)的出射耦合部分从所述波导(30)親合出来，所述出射親合部分限定第一光束(42)， -所述第二类型光栅结构(24)布置为将所述入射光束(40)的所述第一部分(32)的出射耦合部分从所述波导(30)耦合出来，所述出射耦合部分限定第二光束(44)， -所述第一光束(42)和所述第二光束(44)中的每个具有相对于波导(30)的法线限定的出射耦合角，所述出射耦合角限定为使得所述第一光束和第二光束(44)相对于波导(30)的法线不对称于所述入射光束，且不平行于所述入射光束(40)， -所述第一光束(42)具有与所述第二光束(44)不同的光谱分布， -所述第一类型光栅结构(22)和所述第二类型光栅结构(24)具有不同的光栅周期和/或在所述基板平面中不同的光栅方向。2.根据权利要求1所述的导模共振设备(I)，其中，所述基本光栅结构包括两个第一类型光栅结构(22)。3.根据权利要求2所述的导模共振设备(I)，其中，所述第二类型光栅结构(24)布置在所述两个第一类型光栅结构(22)之间，并且其中 -所述第一类型光栅结构(22)中的一个布置为将所述入射光束(40)的第一部分(32)入射耦合到所述波导(30)中， -所述第一类型光栅结构(22)中的一个布置为将所述入射光束(40)的所述第二部分(34)的出射親合部分从所述波导(30)親合出来，所述出射親合部分限定第一光束(42)。4.根据权利要求1至3中的任一项所述的导模共振设备(I)，其中，所述波导(30)的材料可从包括 Ti02、或 Η??2、或 Ta205、或 Zr02、或 A1N、或 A1203、或 ZnO、或 Si02、或硅、或 Si3N4、或MgF2、或CaF2、或MgO、或它们的组合的组中选择。5.根据权利要求1至4中的任一项所述的导模共振设备(I)，其中，所述光栅结构布置在面对所述入射光束(40)的基板平面上。6.根据权利要求1至5中的任一项所述的导模共振设备(I)，其中，中间层(11)布置在所述基板(10)和所述光栅结构之间。7.根据权利要求1至6中的任一项所述的导模共振设备(I)，其中，所述第一光束(42)和所述第二光束(44)是可见光束。8.根据权利要求1至6中的任一项所述的导模共振设备(I)，其中，所述第一光束(42)和所述第二光束(44)中的至少一个是红外光束。9.根据权利要求1至6中的任一项所述的导模共振设备(I)，其中，所述第一光束(42)和所述第二光束(44)中的至少一个是UV光束。10.根据权利要求1至9中的任一项所述的导模共振设备(I)，其中，所述第一光束(42)和所述第二光束(44)的带宽小于250nm，优选地小于lOOnm，并且其中，所述带宽的中心波长相差超过I Onm，优选地超过30nm，更优选地超过50nm。11.根据权利要求1至10中的任一项所述的导模共振设备(I)，其中，所述第一光束(42)和所述第二光束(44)具有与所述入射角相差超过10°的出射耦合角。12.根据权利要求1至11中的任一项所述的导模共振设备(I)，其中，所述第一光束(42)和/或所述第二光束(44)的孔径小于10°，优选地小于5°，更优选地小于2°。13.根据权利要求1或12中的任一项所述的导模共振设备(I)，包括所述基本光栅结构的阵列，所述阵列包括至少两个基本光栅结构，所述阵列的每个基本光栅结构布置为与相邻的所述基本光栅结构协作。14.根据权利要求1至13中的任一项所述的导模共振设备(I)，其中，至少第三类型光栅结构布置在所述基本光栅结构中，所述第三类型光栅结构布置为与所述第一类型光栅结构(22)相邻或与所述第二类型光栅结构(24)相邻，所述第三类型光栅结构(26)布置为将所述入射光束的第三部分入射耦合到所述波导(30)中，所述第三部分通过所述波导(30)传递到所述第一类型光栅结构(22)或传递到所述第二类型光栅结构，所述第三类型光栅结构(26)进一步布置为将所述入射光的所述第一部分(32)的一部分或所述入射光的所述第二部分(34)的一部分从波导(30)出射耦合出来，所述出射耦合部分限定第三光束(46)，所述第三光束(46)具有与在权利要求7至12中的任一项中描述的所述第一光束(42)或所述第二光束(44)的光学特性类似的光学特性。15.根据权利要求14所述的导模共振设备(I)，包括所述基本结构的阵列，所述阵列包括至少两个基本结构，所述阵列的每个基本结构布置为与相邻的所述基本结构协作。16.根据权利要求1至15中的任一项所述的导模共振设备(I)，其中，所述基本结构布置为二维阵列(50)。17.根据权利要求16所述的导模共振设备(I)，其中，所述阵列包括基本结构的平行的行。18.根据权利要求16所述的导模共振设备(I)，其中，所述阵列包括基本结构的不平行的行。19.根据权利要求1至18中的任一项所述的导模共振设备(I)，其中，所述基本结构进一步包括至少一个另外的光学结构。20.根据权利要求19所述的导模共振设备(I)，其中，所述另外的光学结构是光栅结构。21.根据权利要求19所述的导模共振设备(I)，其中，所述另外的光学结构是微透镜阵列。22.根据权利要求1至21中的任一项所述的导模共振设备(I)，其中，另外的光学结构布置为与所述基本结构相邻。23.根据权利要求22所述的导模共振设备(I)，其中，所述另外的光学结构是光栅结构。24.根据权利要求22所述的导模共振设备(I)，其中，所述另外的光学结构是微透镜阵列。25.根据权利要求1至23中的任一项所述的导模共振设备(I)，其中，涂层被布置到所述波导(30)的面对所述入射光束的一侧，所述涂层至少布置在所述波导(30)的一部分上。26.—种气体感测设备(100)，包括根据权利要求1至24中的任一项所述的导模共振设备(I)，其中导模共振设备(I)布置为使得通过所述气体的浓度的改变，而改变所述第一光束(42)和/或所述第二光束(44)的光谱分布。27.根据权利要求26所述的气体感测设备(100)，包括光学系统，所述光学系统布置为重定向和/或改变所述第一光束(42)和/或所述第二光束(44)的散度。28.根据权利要求26或权利要求27所述的气体感测设备(100)，包括至少一个光电探测器。29.—种用于气体感测的方法，包括以下步骤: -提供根据权利要求26至28中的任一项所述的气体感测设备(100)， -将光源布置到气体感测设备(100)的所述光栅结构一侧， -将气体引入到所述光源和导模共振设备(I)之间，或者改变所述光源和导模共振设备(I)之间的气体的浓度，所述气体布置为接触所述光栅结构和所述波导(30)， -通过眼睛观察或者通过光电探测器检测所述第一光束(42)和所述第二光束(44)的光谱分布的改变。30.—种生化物质的生化感测设备(120)，包括根据权利要求1至24中的任一项所述的导模共振设备(I )，进一步包括设计为与所述生化物质反应的生化层，所述生化层布置为与所述波导(30)和/或所述光栅结构接触，并且其中，所述生化感测设备(120)布置为使得通过所述生化物质与所述生化层反应，而改变所述第一光束(42)和/或所述第二光束(44)的光谱分布。31.根据权利要求30所述的生化感测设备(120)，包括固定层，所述固定层布置为包含所述生化层。32.根据权利要求30所述的生化感测设备(120)，其中，所述固定层是聚合物层，优选地是凝胶层。33.根据权利要求30至32中的任一项所述的生化感测设备(120)，包括光学系统，所述光学系统布置为重定向和/或改变所述第一光束(42)和/或所述第二光束(44)的散度。34.根据权利要求30至33中的任一项所述的生化感测设备(102)，包括至少一个光电探测器。35.—种用于感测生化物质的方法，包括以下步骤: -提供根据权利要求30至34中的任一项所述的生化感测设备(120)， -将光源布置到导模共振设备(I)的所述光栅结构一侧，-将所述生化物质布置为与所述生化层接触，以激发所述物质和所述生化层之间的反应， -通过眼睛观察或者通过光电探测器检测所述第一光束(42)和所述第二光束(44)的光谱分布的改变。36.—种安全设备(130)，包括根据权利要求1至25中的任一项所述的导模共振设备(I)。
【文档编号】G06K19/16GK105899983SQ201380081956
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2013年12月23日
【发明人】劳伦·达瓦纳, 纪尧姆·巴塞
【申请人】瑞士Csem电子显微技术研发中心