专利名称：一种基于荧光成像的有源聚合物平面波导传播常数测量仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光波导器件的本征参数测量与计算的技术领域，特别涉及一种基于荧光成像的有源聚合物平面波导传播常数测量仪。
技术背景光学信息处理系统的集成化和微型化使聚合物平面波导依靠其易加工、低损耗等优点迅速发展，而光波导器件的基本属性之一传播常数更在集成光学的光器件设计与研究中不可或缺。有源物质(发光粒子)掺杂于平面波导中，可有效补偿波导传输损耗，也用于发展各种有源波导光学器件，如波导激光器与波导放大器。因此研究有源物质聚合物波导中各种导波传播常数的测量方法具有重要应用价值。现有较为成熟的测量平面波导传播常数的方法主要是基于棱镜的角度扫描法(M线法)，并求解超越方程求出波导参数。其主要存在的问题为I、过程繁琐，测量速度慢。M线法测量波导的有效折射率需要特定的棱镜耦合仪(0-29仪)，并且需要角度的逐点扫描，速度慢，耗时长，不能实现实时观测。2、空间分辨率低。其结构只能在一维方向激励共振导模，同时没有高数值孔径物镜聚焦系统，因而空间分辨率较低。3、局限性。此种方法不易直接计算表征传播常数的虚部，即导波的传播长度。
实用新型内容本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提出了一种基于荧光成像的有源聚合物平面波导传播常数测量仪，其结构简单紧凑，空间分辨率高，无需角度扫描，可实时监测，适合于平面波导传播常数的高效、完整测量。本实用新型实现上述目的的技术方案如下一种基于荧光成像的有源聚合物平面波导传播常数测量仪其包括激光光源，扩束透镜组，分束镜，高数值孔径油浸显微物镜，折射率匹配油，平面波导，滤光片，凸透镜和CXD图像传感器；其中，所述的有源聚合物平面波导，是由玻璃基底，金属薄膜，掺有源物质的聚合物薄膜以及上方空气层构成的四层结构，其制备过程为在玻璃基底上蒸镀或溅射金属薄膜，并在金属薄膜上旋涂有源物质掺杂的聚合物溶液，形成有源物质聚合物薄膜，其中，有源物质为突光分子；所述的激光光源所发射激光，通过扩束透镜组扩束后经反射镜、高数值孔径油浸显微物镜，折射率匹配油，以宽角度范围聚焦辐照到有源聚合物薄膜上，聚合物薄膜中的荧光分子受激辐射荧光，荧光耦合成传输于平面波导中的导波；在某些特定角度下，传输的导波的部分能量从玻璃基底一侧泄露辐射出波导结构，经显微物镜收集，通过分束镜、滤光片及凸透镜后在CXD图像传感器上呈现出不同半径大小的亮环，这些特定角度与后焦面光学像上的亮环半径对应，同时与波导结构中存在的各种模式传播常数的实部对应，通过分析荧光像中亮环的半径及已知的显微物镜数值孔径，计算出导模传播常数的实部；通过后焦面上的反射光场光学像计算获得传播常数的虚部，其拟合计算步骤如下读取图像，记录其中沿着直径方向的荧光强度分布曲线，并用洛伦兹型曲线对其拟合，求出直径方向上荧光强度分布曲线的半高宽，计算出传播长度；它对应于导模传播常数的虚部。进一步的，所述的激光光源通过扩束后，覆盖整个高数值孔径油浸显微物镜的入瞳，充分利用物镜的高数值孔径，获得较小尺寸的聚焦光斑，从而提高测量的空间分辨率，实现微区测量；同时利用同一物镜实现对荧光信号的收集与成像，简化了仪器结构。本实用新型技术方案的原理为激发光经高数值孔径显微镜聚焦照射于有源聚合物平面波导，使掺杂于其中的有源物质(荧光分子)发射荧光，利用成像的方法，拍摄荧光在物镜后焦面上的强度分布图像，通过对图像上光强分布进行分析，推导出存在于此平面波导中各种导模的传播常数。导模的传播常数包含实部和虚部两部分，实部对应于导模的有效折射率，而虚部对应于此种模式在波导结构中的传播长度。具体的，所述激光光源，通过所设计的光路，实现强聚焦照射平面波导，在微区内激发荧光，荧光偶合成平面波导中传输的导波。由于高折射率玻璃基底的存在，在某些特定的角度下，这些导波在传输的过程中，有一部分能量会从玻璃基底一端泄露辐射到远场，进而在位于油浸显微物镜后焦面上产生各种不同半径的亮环。计算亮环半径(峰峰值的一半)与视场半径(r = f *nsin 0为亮环半径，f 为高数值孔径油浸显微物镜的焦距，n为折射率匹配油的折射率，9为导模的激发角，R= f nsin em为视场半径，0111最大视角，对应于显微物镜的数值孔径)的比值，计算出不同导模的激发角或波数，即对应于传播常数的实部。进一步的，对辐射的荧光沿亮环直径方向的强度分布进行洛伦兹型曲线拟合。通过计算曲线的半高全宽W，得到导波的传播距离(W—1)，即对应于传播常数的虚部。本实用新型和传统技术相比的优势为I、结构简单显微物镜在此装置中既被用于聚焦激发光，实现在微区内激发各种导模，也被用来收集荧光进行成像。通过CCD对物镜后焦面成像，利用荧光像直接测量和计算所有导模的传播常数，其结构简单紧凑； 2、高效率无需进行角度扫描，直接通过成像的方法进行测量，其测量时间短，操作方便，效率高；同时可实时动态监测外界因素，如温度、湿度等对导模有效折射率的影响；3、高分辨率利用油浸显微物镜的高数值孔径特性,可实现高空间分辨率测量。4、模式分析方便利用CCD图像传感器观察荧光图像中的亮环半径及其光强分布，拟合计算各种导模的传播常数。
图I为本实用新型一种基于荧光成像的有源聚合物平面波导传播常数测量仪的结构示意图；图2为测量流程图；图3为显微物镜后焦面上的荧光像；[0024]图4为沿图3所示虚线上(沿直径)各点的荧光强度分布曲线其中，I、激光光源；2扩束透镜组；3、分束镜；4、高数值孔径油浸显微物镜；5、折射率匹配油；6、玻璃基底；7、金属薄膜；8、有源聚合物薄膜；9、滤光片；10、凸透镜；11、CXD图像传感器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步详细描叙，附图中相同的标号始终表不相同的部件。参照图I所示的一种基于荧光成像的有源聚合物平面波导传播常数测量仪，包括激光光源I (如波长532nm激光器)，扩束透镜组2，分束镜3，高数值孔径油浸显微物镜4 (以下简称显微物镜4)，折射率匹配油5，玻璃基底6，金属薄膜7，有源聚合物薄膜8 (实施例中，有源物质为染料若丹明B)，滤光片9，凸透镜10，CCD图像传感器11。其中，具体的测 量流程如图2。有源聚合物平面波导的制备方法为，在玻璃基底6上蒸镀或溅射一层45nm厚的银膜，将罗丹明B粉末(即为有源物质)溶解在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的苯甲醚溶液，然后旋涂于先前沉积了 45nm银膜的玻璃基底上并烘干，即制备成了有源聚合物平面波导。将制备好的波导通过折射率I. 516的匹配油5与显微物镜4(如60X，N. A. = I. 42)相接；激光光源I所发射的532nm激光，经扩束透镜组2使入射光扩束到能覆盖整个显微物镜4的入瞳面，经过分束镜3反射后，经显微物镜4会聚到波导结构上激发荧光分子发射荧光，经显微物镜4收集,通过滤光片9(如中心波长580nm、带宽IOnm的窄带滤光片)’滤去532nm激发光，只让荧光通过，并由凸透镜10将显微物镜4后焦面上的荧光强度分布成像于CCD图像传感器11的光敏面，进而可以得到物镜后焦面的荧光像。如图3所示，基于上述条件和参数所形成的视场内第一圈亮环，其与视场半径之比为0. 9436，进而得知此模式的激发角为61. 83°，对应有效折射率为I. 34的导模。第二圈亮环半径与视场半径比为0. 8232，该模式的激发角为50. 27°，对应有效折射率为1169的导模。同理，最内圈亮环半径与视场半径比为0.7112，所以此模式的激发角为41. 64°，其有效折射率为1.01。进一步的，对亮环的强度分布进行洛伦兹曲线拟合，从而计算出其半高全宽分别为，0. 033K0，0. 0182K0，0. 0143K0。分别对应着上述三种模式，其传播长度分别为2. 80 u m,
5.07 u m 和 6. 46 u m。本实用新型未详细阐述的部分属于本领域公知技术。以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制在具体实施方式
的范围内，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在权利要求限定和确定的本实用新型的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本实用新型构思的发明创造均在保护之列。
权利要求1.ー种基于荧光成像的有源聚合物平面波导传播常数测量仪，其特征在于其包括激光光源(1)，扩束透镜组(2)，分束镜(3)，高数值孔径油浸显微物镜(4)，折射率匹配油(5)，有源聚合物平面波导，滤光片(9)，凸透镜(10)和CXD图像传感器(11);其中， 有源聚合物平面波导由玻璃基底(6)，金属薄膜(7)，有源物质聚合物薄膜(8)以及上方空气层构成的四层结构，其制备过程为在玻璃基底(6)上蒸镀或溅射金属薄膜(7)，并在金属薄膜(7)上形成有源物质聚合物薄膜(8) ，其中，有源物质为荧光分子； 激光光源(I)所发射激光，通过扩束透镜组(2)扩束后经分束镜(3)，高数值孔径油浸显微物镜(4)，折射率匹配油(5)，以宽角度范围聚焦辐照在聚合物薄膜(8)上，聚合物薄膜中的荧光分子受激辐射荧光，荧光耦合成传输于平面波导中的导波；在某些特定角度下，传输的导波的部分能量从玻璃基底ー侧泄露辐射出波导结构，经显微镜(4)收集，通过分束镜(3)、滤光片(9)及凸透镜(10)在CXD图像传感器(13)上呈现出不同半径大小的亮环。
专利摘要本实用新型公开了一种基于荧光成像的有源聚合物平面波导传播常数测量仪，其利用高数值孔径显微物镜搭建荧光成像装置，入射激光经高数值孔径油浸显微物镜聚焦照射到有源聚合物薄膜，激发掺杂于薄膜中的有源物质使其发射荧光；激发出来的荧光可耦合为传输于平面波导中的导波。导波在传播过程中，部分光能量将沿着一些特定角度从波导一侧泄露辐射到远场，并被同一物镜收集成像于CCD图像传感器。这些特定角度及辐射出来的荧光光场分布与导波的传播常数相关联，而它们均反应在CCD所记录的荧光像上，因此通过荧光像推导出平面波导中各种导波的传播常数。本实用新型结构简单紧凑，空间分辨率高，适合于有源聚合物平面波导传播常数的实时监测与快速测量。
文档编号G01M11/02GK202403893SQ20112051852
公开日2012年8月29日 申请日期2011年12月10日 优先权日2011年12月10日
发明者傅强, 张斗国, 明海, 王向贤, 王沛, 陈漪恺 申请人:中国科学技术大学