一種產(chǎn)生均勻倏逝波場(chǎng)的系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于導(dǎo)波光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種產(chǎn)生均勻倏逝波場(chǎng)的系統(tǒng)。本發(fā)明系統(tǒng)包括:一個(gè)“折射率隙”結(jié)構(gòu)和一套光束引導(dǎo)機(jī)構(gòu)；折射率隙結(jié)構(gòu)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(gòu)成的平面型三層結(jié)構(gòu)；一束激發(fā)光被光束引導(dǎo)機(jī)構(gòu)分束后對(duì)稱引導(dǎo)入折射率隙中的兩個(gè)高折射率層中，并對(duì)稱入射于低折射率層的界面，且入射角等于其全內(nèi)反射角；兩束光的強(qiáng)度和相位由可變分束鏡和相位延遲器調(diào)節(jié)。采用本發(fā)明的可以在低折射率間隙層中產(chǎn)生均勻的倏逝波場(chǎng)，可用于材料的微納結(jié)構(gòu)分析或傳感應(yīng)用。
【專利說(shuō)明】
一種產(chǎn)生均勻倏逝波場(chǎng)的系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于導(dǎo)波光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種產(chǎn)生均勻倏逝波場(chǎng)的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 材料的微結(jié)構(gòu)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(dǎo)技術(shù)，可產(chǎn)生表面倏逝場(chǎng)，對(duì)待分析的樣品進(jìn)行激發(fā)。但是，由于表面倏逝場(chǎng)大多是指數(shù) 衰減式空間分布，因此是不均勻的，從而使激發(fā)的效果受到空間不均勻的影響。同時(shí)，由于 這種指數(shù)型衰減，倏逝場(chǎng)的有效深度很淺，一般在一個(gè)波長(zhǎng)量級(jí)，因此，對(duì)樣品的制備提出 了很高的要求，也使得可測(cè)量的樣品種類受到很限制。因此，研究能夠產(chǎn)生均勻倏逝場(chǎng)的方 法就成為迫切的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種可產(chǎn)生穩(wěn)定的和空間均勻分布的倏逝波場(chǎng)的系統(tǒng)。
[0004] 倏逝場(chǎng)是由于光在從高折射率材料向低折射率材料的界面上發(fā)生全內(nèi)反射時(shí)在 低折射率材料內(nèi)部產(chǎn)生的一種逐漸衰減的光波場(chǎng)，這種衰減呈現(xiàn)指數(shù)形式。但是，這個(gè)衰減 形式在特定的情況下，可不是指數(shù)形式。如果在低折射率材料的另一側(cè)放置另一個(gè)高折射 率材料，總體形成一個(gè)折射率的高-低-高的結(jié)構(gòu)，俗稱"折射率隙"結(jié)構(gòu)，這時(shí)，在一側(cè)發(fā)生 全內(nèi)反射的入射角下，低折射率內(nèi)部的倏逝場(chǎng)將會(huì)從一端界面到另一端界面的線性衰減形 式存在。若此時(shí)在間隙的另一側(cè)的高折射率材料中，也用同樣的光束產(chǎn)生同樣的倏逝場(chǎng)，則 兩側(cè)產(chǎn)生的同樣線性衰減的倏逝場(chǎng)將會(huì)相互疊加，在低折射率間隙內(nèi)產(chǎn)生均勻的倏逝場(chǎng)。 并且理論上用這種方面產(chǎn)生的均勻倏逝場(chǎng)不受間隙寬度的限制。實(shí)際中，對(duì)于小于5微米的 間隙內(nèi)，倏逝場(chǎng)具有很好的穩(wěn)定度。
[0005] 因此，基于上述線性倏逝場(chǎng)的疊加原理，本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種產(chǎn)生均勻倏逝波場(chǎng)的 系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，它包括:一個(gè)平面型折射率隙結(jié)構(gòu)，以及激發(fā)光束引導(dǎo)機(jī)構(gòu)。其 中，所述平面型折射率隙結(jié)構(gòu)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(gòu)成;所述的激發(fā)光束引導(dǎo)機(jī)構(gòu)由激發(fā)光束，可變分束鏡，相 位延遲器，平面反射鏡構(gòu)成。
[0006] 本發(fā)明中，所述激發(fā)光束1為連續(xù)或脈沖激光光束。
[0007] 本發(fā)明中，所述的可變分束鏡2為分束比可變的分束鏡，對(duì)入射光束進(jìn)行強(qiáng)度分 配。
[0008] 本發(fā)明中，所述的相位延遲器3為一光程可調(diào)機(jī)構(gòu)，用于調(diào)節(jié)通過(guò)該相位延遲器的 光程。
[0009] 本發(fā)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(fā)光束1 引導(dǎo)進(jìn)入平面型折射率間隙結(jié)構(gòu)。其中，激發(fā)光經(jīng)可變分束鏡2分束后，一束激發(fā)光經(jīng)相位 延遲器3，由平面反射鏡4反射，進(jìn)入平面型折射率隙結(jié)構(gòu)的基底層5;在基底層中，激發(fā)光束 以基底層與間隙層的全內(nèi)反射角入射界面，發(fā)生全內(nèi)反射，在間隙層中，產(chǎn)生倏逝波場(chǎng)。另 一束激發(fā)光經(jīng)另一平面反射鏡6反射，進(jìn)入平面型折射率隙結(jié)構(gòu)的覆蓋層7;兩束光的強(qiáng)度 和相位分別由可變分束鏡和相位延遲器調(diào)節(jié)。
[0010] 本發(fā)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(duì)相應(yīng)激發(fā)光束1 為透明的材料，截面制成梯形，其底角一般可設(shè)計(jì)成光束與間隙層8的全內(nèi)反射入射角，這 樣，光束對(duì)斜邊的入射角就可為〇度;其底邊平行相對(duì)；激發(fā)光束入射的斜面鍍?cè)鐾改ぃ?減少激發(fā)光的反射損耗。
[0011] 本發(fā)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(dá)到全內(nèi)反射的臨界角。
[0012] 本發(fā)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(cè)樣品的液 體，可由低折射率材料間隙層8的兩端導(dǎo)入和導(dǎo)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(duì)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(fā)明優(yōu)點(diǎn)： 1、 本發(fā)明的最大優(yōu)點(diǎn)是倏逝場(chǎng)場(chǎng)區(qū)寬，場(chǎng)強(qiáng)均勻。這首先在于可以通過(guò)激光光束在一 側(cè)的入射，在全內(nèi)反射的臨界角處，實(shí)現(xiàn)線性衰減的倏逝場(chǎng)，有別一般的指數(shù)型衰減的倏逝 場(chǎng)，場(chǎng)深度有所加大。如果在兩側(cè)同時(shí)引入相等強(qiáng)度和相同相位的激發(fā)光，由于兩側(cè)的線性 倏逝場(chǎng)的疊加，則在低折射率的間隙內(nèi)，將會(huì)產(chǎn)生均勻分布的倏逝場(chǎng)，場(chǎng)的深度將是充滿整 個(gè)間隙，因此，可以形成場(chǎng)區(qū)寬，場(chǎng)強(qiáng)均勻的倏逝場(chǎng)，形成對(duì)待測(cè)量樣品的均勻激發(fā)，而不是 只局限于界面表層的少量激發(fā)； 2、 本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，場(chǎng)強(qiáng)分布可調(diào)節(jié)。這主要是可以通過(guò)調(diào)節(jié)兩束激發(fā)光的相 對(duì)相位，從而可以調(diào)節(jié)兩者的疊加程度。如果兩側(cè)的倏逝場(chǎng)幅度相同而相位不同，則間隙中 的倏逝場(chǎng)將是以間隙中間平面為對(duì)稱面，形成V字形的槽形倏逝場(chǎng)。而如果兩束激發(fā)光的幅 度不同，則可以形成多種分布形式的倏逝場(chǎng)。而兩側(cè)激光強(qiáng)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(fā)明的第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，適用面寬：當(dāng)所采用的材料及光源不同，可以在不同的光 譜區(qū)構(gòu)建上述均勻倏逝場(chǎng)，因此，可以用于不同波段的測(cè)量； 4、 本發(fā)明的第四個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可進(jìn)行傳感應(yīng)用。當(dāng)只在一側(cè)引入激發(fā)光束，若低折射率間 隙區(qū)的折射率明顯改變，則全內(nèi)反射的臨界角會(huì)發(fā)生改變，從而改變?nèi)珒?nèi)反射的強(qiáng)度，在另 一側(cè)可能造成漏光。因此，監(jiān)測(cè)另一側(cè)的漏光強(qiáng)度可以傳感間隙層內(nèi)的折射率變化。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1為一種產(chǎn)生均勻倏逝波場(chǎng)的方法示意圖。
[0016]圖2為圖1折射率隙結(jié)構(gòu)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(cè)高折射率區(qū)域示意厚度為2微米。
[0017] 圖3為激發(fā)光從一側(cè)入射時(shí)，折射率隙結(jié)構(gòu)中各區(qū)域光場(chǎng)幅度沿X方向的空間分 布，在界上的入射角為全內(nèi)反射臨界角。
[0018] 圖4為激發(fā)光從兩側(cè)入射時(shí)，折射率隙結(jié)構(gòu)中倏逝場(chǎng)的X方向分布及其隨兩側(cè)激發(fā) 光相對(duì)相位的差的變化關(guān)系。
[0019] 圖中標(biāo)號(hào)：1為激發(fā)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(shí)施方式】
[0020]根據(jù)圖1所示的結(jié)構(gòu)，選定一個(gè)激光工作波長(zhǎng)如：632.8nm氦-氖激光光源，選擇 所述平面型折射率隙結(jié)構(gòu)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(yuǎn)大于此，因而可視為無(wú)窮大，但 在計(jì)算中取有限尺寸(2微米），整個(gè)結(jié)構(gòu)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(zhì)增透膜，透射率不小于99%。
[0021 ] -束激發(fā)光經(jīng)可變分束鏡2均勻分束后，一束經(jīng)相位延遲器3，由平面反射鏡4反 射，進(jìn)入基底層5。在基底層中，激發(fā)光束以基底層與間隙層的全內(nèi)反射角(61.04°)入射界 面，發(fā)生全內(nèi)反射，在間隙層(水層）中，產(chǎn)生倏逝波場(chǎng)。
[0022] 利用嚴(yán)格的耦合波理論，可將激發(fā)光在上述折射率隙結(jié)構(gòu)中的光場(chǎng)的表達(dá)式寫 出，以橫電波(TE波)為例，在如圖1的坐標(biāo)系中：
上式中下標(biāo)s，g，c代表襯底，間隙，以及覆蓋層，E代表電場(chǎng)，A，B代表相關(guān)本征波的 系數(shù)。λ表波在相關(guān)區(qū)域的本征值，
，i=s，g，cj為沿Ζ方向的光的傳 播矢量。
[0023] 應(yīng)用TE波電場(chǎng)矢量在邊界處的連續(xù)性條件，并假設(shè)入射光場(chǎng)在襯底與間隙層的邊 界上的光場(chǎng)幅度為1，則可得到在確定入射角的情況下的光場(chǎng)的表達(dá)式。特別是，在全內(nèi)反 射的臨界角入射時(shí)，、疋^二〇,經(jīng)過(guò)一定的代數(shù)運(yùn)算，在一級(jí)近似的情況下，可得上述折射 率間隙層中的電場(chǎng)的表達(dá)式為：
可見這時(shí)的光場(chǎng)為一空間線性函數(shù)。圖3為激發(fā)光從一側(cè)入射，且光在邊界上的入射 角為全內(nèi)反射臨界角時(shí)，圖1的折射率隙結(jié)構(gòu)中各區(qū)域光場(chǎng)幅度沿X方向的空間分布，因此 光場(chǎng)在間隙層中的分布為一線性衰減分布，直接將兩個(gè)高折射率區(qū)域?qū)崿F(xiàn)線性連接。
[0024] 如果此時(shí)激發(fā)光以對(duì)稱的方式從兩側(cè)高折射率區(qū)域同步入射，通過(guò)可變分束鏡2 和相位延遲器3將兩個(gè)光束調(diào)節(jié)到同相和同幅度，并且也是以全內(nèi)反射的臨界角入射，則間 隙兩側(cè)產(chǎn)生的線性倏逝場(chǎng)完全相同，兩者相互疊加，可以產(chǎn)生如圖4中的"延時(shí)0度"時(shí)的均 勻光場(chǎng)。圖4中還同時(shí)顯示了當(dāng)調(diào)節(jié)相位延遲器3使兩入射光束間有90度和180度相位延時(shí) 情況下的間隙內(nèi)的光場(chǎng)分布?？梢娛且蚤g隙中心為對(duì)稱面，從兩個(gè)邊界以相同的斜率下降 的V型槽的光場(chǎng)。改變兩束激發(fā)光的相對(duì)強(qiáng)度，還可以在間隙層中組合出更多形態(tài)的倏逝 波場(chǎng)。
[0025]從應(yīng)用的角度上說(shuō)，均勻倏逝場(chǎng)最適合在微納樣品的拉曼及熒光光譜分析中，作 結(jié)構(gòu)分析；另外，當(dāng)?shù)驼凵渎书g隙中的折射率發(fā)生改變，從而改變了全內(nèi)反射角，這樣反射 區(qū)與對(duì)面的透射區(qū)的光強(qiáng)都會(huì)有所變化，這也有利于光傳感的應(yīng)用。因此，本發(fā)明在生物 學(xué)，材料學(xué)，化學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種產(chǎn)生均勻倏逝波場(chǎng)的系統(tǒng)，其特征在于包括:一個(gè)平面型折射率隙結(jié)構(gòu)和一激 發(fā)光束引導(dǎo)機(jī)構(gòu);其中，所述平面型折射率隙結(jié)構(gòu)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(gòu)成;所述的激發(fā)光束引導(dǎo) 機(jī)構(gòu)由激發(fā)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(gòu)成;其中： 所述激發(fā)光束（1)為連續(xù)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(duì)入射光束進(jìn)行強(qiáng)度分配； 所述相位延遲器(3)為一光程可調(diào)機(jī)構(gòu)，用于調(diào)節(jié)通過(guò)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(fā)光束（1)引導(dǎo)進(jìn)入平 面型折射率隙結(jié)構(gòu)；其中，激發(fā)光經(jīng)可變分束鏡(2)分束后，一束經(jīng)相位延遲器(3)，由平面 反射鏡(4)反射，進(jìn)入平面型折射率隙結(jié)構(gòu)的基底層(5);在基底層中，激發(fā)光束以基底層與 間隙層的全內(nèi)反射角入射界面，發(fā)生全內(nèi)反射，在間隙層中，產(chǎn)生倏逝波場(chǎng);另一束激發(fā)光 經(jīng)另一平面反射鏡(6)反射，進(jìn)入平面型折射率隙結(jié)構(gòu)的覆蓋層;兩束光的強(qiáng)度和相位分別 由可變分束鏡和相位延遲器調(diào)節(jié)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，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(duì)相應(yīng)激發(fā)光束（1 )，為透明的材料，截面為梯形，其底邊平行相對(duì)，激發(fā)光 束入射的斜面鍍高透膜，以減少激發(fā)光的反射損耗。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于:所述的激發(fā)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(nèi)反射的臨界角。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，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(cè)樣品的液體，可由低折射率材料間隙層(8)的兩端導(dǎo)入和導(dǎo)出。
【文檔編號(hào)】H01S5/10GK105932540SQ201610372668
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年5月31日
【發(fā)明人】劉建華, 張克, 陶李
【申請(qǐng)人】復(fù)旦大學(xué)