CN102426093B - 一种基于显微成像的聚合物平面波导光学参数测量仪 - Google Patents
一种基于显微成像的聚合物平面波导光学参数测量仪 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102426093B CN102426093B CN201110347385.5A CN201110347385A CN102426093B CN 102426093 B CN102426093 B CN 102426093B CN 201110347385 A CN201110347385 A CN 201110347385A CN 102426093 B CN102426093 B CN 102426093B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- refractive index
- planar waveguide
- angle
- radius
- oil
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于显微成像的聚合物平面波导光学参数测量仪，其包括：激光光源，偏振元件组，扩束透镜组，反射镜，高数值孔径油浸显微物镜，折射率匹配油，平面波导，分束镜，聚束透镜组，CCD图像传感器。光源发出的激光经过偏振元件组、扩束透镜组、反射镜、分束镜后，通过高数值孔径油浸显微物镜后以宽角度范围辐照到平面波导上，在某些特定辐照角度下，入射光转化为平面波导中的导波模式，同时其它辐照角度的光束被波导反射，再经高数值孔径油浸显微物镜、分束镜、聚束透镜组后会聚于CCD图像传感器；最终可计算出平面波导的重要光学参数。本发明结构简单紧凑，无需角度扫描，空间分辨率高，可实时监测，适合于平面波导参数的高效、实时测量。
Description
技术领域
本发明涉及光波导器件光学参数表征的技术领域，特别涉及一种基于显微成像的聚合物平面波导光学参数测量仪。
背景技术
平面波导是集成光学中的基础性元器件，聚合物平面波导的低损耗、高带宽、易于加工等优点使其具有更广泛的应用，其光学参数的测量是制作高效可靠的光波导器件的必备要素之一。现有的测量平面波导光学参数的方法主要是基于棱镜的角度扫描法(即M线法)，并借助计算机求解超越方程求出波导参数。其主要存在的问题为：
1、操作不便。M线法测量波导的有效折射率需要特定的棱镜耦合仪(θ-2θ仪)，并且需要角度的逐点扫描，速度慢，耗时长，操作过程繁琐。
2、计算复杂。矩阵算法计算量大，模本征方程的求解需要计算机辅助。
3、局限性。其结构只能在一维方向激励共振导模，同时空间分辨率较低；不能实现实时测量或监测。
发明内容
本发明的目的是克服现有检测技术的不足，提出一种基于显微成像的聚合物平面波导光学参数的测量仪，其结构简单紧凑，空间分辨率高，无需角度扫描，可实时监测，适合于平面波导参数的高效、实时测量。
本发明实现上述目的的技术方案如下：
一种基于显微成像的聚合物平面波导光学参数测量仪，其包括：激光光源，偏振元件组，扩束透镜组，反射镜，高数值孔径油浸显微物镜，折射率匹配油，平面波导，分束镜，聚束透镜组和CCD图像传感器；其中，
所述的偏振元件组，是由起偏器及1/2波片组成的偏振元件组，用于改变激光的偏振方向；
所述的平面波导，是由玻璃基底，金属薄膜，聚合物薄膜以及上方空气层构成的四层结构，金属薄膜蒸镀或溅射在玻璃基底上，聚合物薄膜旋涂在金属薄膜上；
所述的激光光源所发射激光，通过偏振元件组后，形成线偏振光；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，以宽角度范围辐照在玻璃基底与金属薄膜的界面，在某些特定角度下，激发传输于平面波导中的导波模式，简称导模，这些角度与后焦面光学像上的暗弧一一对应；与其相应的入射光能量转化为导模光场能量，而其他角度的光束大部分被平面波导反射回来，反射光经高数值孔径油浸显微物镜收集，再经分束镜及聚束透镜组成像于CCD图像传感器，CCD图像传感器记录下高数值孔径油浸显微物镜后焦面上的反射光场光学像，通过读取所成像中的暗弧位置及半径，计算出所激发的各种导模的有效折射率。
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；可实现宽角度范围照射平面波导，从而同时激发传输于平面波导中的各种导模。
进一步的，利用高数值孔径油浸显微物镜获得高空间分辨率，实现微区测量；同时利用同一高数值孔径油浸显微物镜实现入射光聚焦激发导模以及反射光的收集成像，简化了仪器结构。
进一步的，通过旋转1/2波片，可以控制高数值孔径油浸显微物镜后焦面光学像中的暗弧方向，以判断所激发的各种导模的偏振状态。
本发明技术方案的原理为：
所述激光光源，通过所设计的光路，实现宽角度范围辐照平面波导。在某些特定入射角度下，激发存在于波导中的各种导模；对应于这些角度的入射光场能量转换为平面波导中传输的各种导模，进而在位于高数值孔径油浸显微物镜后焦面的反射光场像上产生各种不同半径的暗弧。利用CCD图像传感器上所显示的暗弧半径(r＝f·nsinθ，r为暗弧半径，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，θ为导模的激发角)与视场半径(R＝f·nsinθm，θm最大视角)的比值，计算出不同导模的激发角及其有效折射率。
本发明和传统技术相比的优势为：
1、结构简单：偏振光照明及显微物镜聚焦激发导模，通过CCD对物镜后焦面成像，利用不同暗弧半径对应于不同传播常数的导模，直接测出所有导模的有效折射率，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，其他激光辐照等对导模有效折射率的影响；
3、高分辨率：显微物镜由于其结构的中心对称性，能在二维空间同时激发各种传输于平面波导中的导模，且利用显微物镜聚焦光束，实现高空间分辨率的微区测量。
4、模式分析方便：利用CCD图像传感器观察图像中的暗弧位置及半径，直接计算各种导模的偏振、激发角度及其有效折射率。
附图说明
图1为本发明一种基于显微成像的聚合物平面波导光学参数测量仪的结构示意图；
图2为显微物镜后焦面的光学像；
其中，1、激光光源；2、起偏器；3、1/2波片；4、扩束透镜组；5、反射镜；6、高数值孔径油浸显微物镜；7、折射率匹配油；8、玻璃基底；9、金属薄膜；10、聚合物薄膜；11、分束镜；12、聚束透镜组；13、CCD图像传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描叙，附图中相同的标号始终表示相同的部件。
参照图1所示的基于显微成像的聚合物平面波导光学参数测量仪，包括：激光光源1，偏振元件组(包括起偏器2和1/2波片3)，扩束透镜组4，反射镜5，高数值孔径油浸显微物镜6(以下简称显微物镜6)，折射率匹配油7，玻璃基底8，金属薄膜9，聚合物膜10，分束镜11，聚束透镜组12，CCD图像传感器13。其中，具体测量的平面波导为，在玻璃基底8上蒸镀或溅射一层金属薄膜(如厚度为45nm的银膜)，进而旋涂一定厚度的聚合物薄膜10(如500nm的聚甲基丙烯酸甲酯)，烘干后通过折射率为1.516的匹配油7与显微物镜6(如60X，N.A.＝1.42)相接；激光光源1所发射激光，通过改变偏振态的偏振元件组后，使之形成线偏振光；扩束透镜组4将入射光扩束到能覆盖整个显微物镜6的入瞳面，经过反射镜5反射后，经显微物镜6会聚到波导结构上，在玻璃基底8与金属薄膜9的界面发生反射；反射光经显微物镜6收集，经分束镜11反射，由聚束透镜组12将显微物镜6的后焦面上的反射光场分布成像于CCD13的光敏面，进而可以得到物镜后焦面的反射光场光学像。如图2所示，基于上述条件和参数所形成的最外一圈暗弧，其与视场半径之比为0.9577，进而得知此模式的激发角为63.78°，对应有效折射率为1.36的TM1模。第二圈暗弧半径与视场半径比为0.8521，该模式的激发角为52.95°，对应有效折射率为121的TE1模。同理，TM2模的暗弧半径与视场半径比为0.7117，所以此模式的激发角为43.31°，其有效折射率为1.04。
本发明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发明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发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (1)
1.一种基于显微成像的聚合物平面波导光学参数测量仪，包括：激光光源（1），偏振元件组，扩束透镜组（4），反射镜（5），高数值孔径油浸显微物镜（6），折射率匹配油（7），平面波导，分束镜（11），聚束透镜组（12）和CCD图像传感器（13）；
所述的平面波导，是由玻璃基底（8），金属薄膜（9），聚合物薄膜（10）以及上方空气层构成的四层结构，金属薄膜（9）蒸镀或溅射在玻璃基底（8）上，聚合物薄膜（10）旋涂在金属薄膜（9）上；
其特征在于：所述的激光光源（1）所发射激光，通过偏振元件组后，形成线偏振光；通过扩束透镜组（4）扩束后经反射镜（5）、高数值孔径油浸显微物镜（6），折射率匹配油（7），以宽角度范围辐照在玻璃基底（8）与金属薄膜（9）的界面，在某些特定角度下，激发传输于平面波导中的导波模式，简称导模，这些角度与后焦面光学像上的暗弧一一对应；与其相应的入射光能量转化为导模光场能量，而其他角度的光束大部分被平面波导反射回来，反射光经高数值孔径油浸显微物镜（6）收集，再经分束镜（11）及聚束透镜组（12）成像于CCD图像传感器（13），CCD图像传感器（13）记录下高数值孔径油浸显微物镜（6）后焦面上的反射光场光学像，通过读取所成像中的暗弧位置及半径，计算出所激发的各种导模的有效折射率；利用CCD图像传感器上所显示的暗弧半径与视场半径的比值，计算出不同导模的激发角及其有效折射率，其中，r＝f·nsinθ，r为暗弧半径，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，θ为导模的激发角，视场半径R＝f·nsinθm，θm最大视角；
所述的激光光源（1）通过扩束后，覆盖整个高数值孔径油浸显微物镜（6）的入瞳；可实现宽角度范围照射平面波导，从而同时激发能传输于平面波导中的各种导模，并且对应视场半径大小以实现有效折射率的计算
所述的偏振元件组，是由起偏器（2）及1/2波片（3）组成的偏振元件组，通过旋转1/2波片（3），可以控制高数值孔径油浸显微物镜（6）后焦面光学像中的暗弧方向，以判断所激发的各种导模的偏振状态；
基于上述条件和参数所形成的最外一圈暗弧，其与视场半径之比为0.9577，进而得知此模式的激发角为63.78°，对应有效折射率为1.36的TM1模，第二圈暗弧半径与视场半径比为0.8521，该模式的激发角为52.95°，对应有效折射率为1.21的TE1模，同理，TM2模的暗弧半径与视场半径比为0.7117，所以此模式的激发角为43.31°，其有效折射率为1.04。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201110347385.5A CN102426093B (zh) | 2011-11-03 | 2011-11-03 | 一种基于显微成像的聚合物平面波导光学参数测量仪 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201110347385.5A CN102426093B (zh) | 2011-11-03 | 2011-11-03 | 一种基于显微成像的聚合物平面波导光学参数测量仪 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102426093A CN102426093A (zh) | 2012-04-25 |
| CN102426093B true CN102426093B (zh) | 2014-02-12 |
Family
ID=45960098
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201110347385.5A Expired - Fee Related CN102426093B (zh) | 2011-11-03 | 2011-11-03 | 一种基于显微成像的聚合物平面波导光学参数测量仪 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102426093B (zh) |
Families Citing this family (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103616364B (zh) * | 2013-12-08 | 2016-04-13 | 中国科学技术大学 | 一种基于偶氮苯聚合物光致吸收调制特性的超分辨荧光显微成像装置 |
| CN103837499B (zh) * | 2014-03-10 | 2016-03-02 | 中国科学技术大学 | 一种基于宽带表面等离子体波的微区光谱测量装置 |
| CN104132801B (zh) * | 2014-07-30 | 2016-08-17 | 西安电子科技大学 | 铥离子掺杂硫卤化合物玻璃单线波导刻写的最佳能量测定 |
| CN105652364B (zh) * | 2016-03-01 | 2019-11-12 | 深圳大学 | 并行集成的光纤布拉格光栅及其制作方法、制作装置 |
| CN106908222A (zh) * | 2017-03-15 | 2017-06-30 | 北京航空航天大学 | 一种高精度显微物镜数值孔径的测量方法及系统 |
| CN106802232B (zh) * | 2017-03-16 | 2019-04-30 | 北京航空航天大学 | 一种基于全反射的显微物镜数值孔径测量方法及系统 |
| CN108956571B (zh) * | 2018-07-27 | 2023-12-15 | 南京理工大学 | 一种基于泄露辐射成像在ccd靶面与安装定位面夹角误差的校准方法及装置 |
| CN108613949B (zh) * | 2018-07-30 | 2023-11-17 | 兰州理工大学 | 基于非对称金属包覆介质波导的角度扫描折射率传感器 |
| CN109387354B (zh) * | 2018-11-14 | 2020-09-11 | 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所 | 一种光学扫描器测试装置及测试方法 |
| CN109932162B (zh) * | 2018-12-21 | 2020-11-06 | 南京理工大学 | 一种基于白光配准的腔模参数检测装置及检测方法 |
| CN112665618B (zh) * | 2020-12-17 | 2022-05-17 | 安徽中元新材料技术有限公司 | 一种基于形态学的波长敏感模式提取装置及方法 |
| CN112665619B (zh) * | 2020-12-17 | 2022-05-20 | 安徽中元新材料技术有限公司 | 一种高灵敏传感模式的自动提取装置及方法 |
| CN115598818B (zh) * | 2022-10-17 | 2023-04-25 | 佛山迈奥光学科技有限公司 | 一种工业检测干式显微物镜 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030132382A1 (en) * | 2001-12-18 | 2003-07-17 | Sogard Michael R. | System and method for inspecting a mask |
| US7570362B2 (en) * | 2007-09-28 | 2009-08-04 | Olympus Corporation | Optical measurement apparatus utilizing total reflection |
| CN102183497B (zh) * | 2011-02-15 | 2012-07-04 | 中国科学院化学研究所 | 一种聚合物薄膜中单分子链扩散运动轨迹的测定方法 |
| CN202351017U (zh) * | 2011-11-03 | 2012-07-25 | 中国科学技术大学 | 一种基于显微成像的聚合物平面波导光学参数测量仪 |
-
2011
- 2011-11-03 CN CN201110347385.5A patent/CN102426093B/zh not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (8)
| Title |
|---|
| B. Richards, E. Wolf.Electromagnetic diffraction in optical systems II. Structure of the image field in an aplanatic system.《Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences》.1959,第253卷(第1274期),第358－379页. |
| Electromagnetic diffraction in optical systems II. Structure of the image field in an aplanatic system;B. Richards, E. Wolf;《Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences》;19591231;第253卷(第1274期);第361页公式2.8及图1 * |
| Heather J. Patrick, Ravikiran Attota, Bryan M. Barnes.Scatterfield microscopy using back focal plane imaging with an engineered illumination field.《SPIE 31st International Symposiun on Advanced Lithography》.2006,第6152页. |
| JP特开2003-202661A 2003.07.18 |
| Scatterfield microscopy using back focal plane imaging with an engineered illumination field;Heather J. Patrick, Ravikiran Attota, Bryan M. Barnes;《SPIE 31st International Symposiun on Advanced Lithography》;20061231;全文 * |
| 轴对称偏振光激励表面等离子体共振及金属纳米颗粒增强荧光辐射的研究;阎杰;《中国博士学位论文全文数据库基础科学辑》;20101015(第10期);第63页第1段，第66页4.3.1节及图4.7，第70页第2段及图4.12，第77页最后1段 * |
| 阎杰,鲁拥华,王沛,明海.泄漏辐射模显微镜测量薄膜的局域双折射率.《光学学报》.2011,第31卷(第1期), * |
| 阎杰.轴对称偏振光激励表面等离子体共振及金属纳米颗粒增强荧光辐射的研究.《中国博士学位论文全文数据库基础科学辑》.2010,(第10期), |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102426093A (zh) | 2012-04-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102426093B (zh) | 一种基于显微成像的聚合物平面波导光学参数测量仪 | |
| CN202351017U (zh) | 一种基于显微成像的聚合物平面波导光学参数测量仪 | |
| Ditlbacher et al. | Efficiency of local light-plasmon coupling | |
| CN103926225B (zh) | 一种基于倏逝波照明的荧光发射微分显微方法及装置 | |
| CN102004307B (zh) | 使用同心双锥面镜实现全内反射荧光显微的系统与方法 | |
| CN104678716B (zh) | 一种结合单量子点定位功能的激光直写光刻系统及其方法 | |
| CN102436063B (zh) | 一种激光光镊显微镜 | |
| CN103940796A (zh) | 新型多角度多模式快速切换环状光学照明显微成像系统 | |
| CN102818759B (zh) | 一种基于光散射的湿性颗粒形状参数在线测量系统及方法 | |
| CN106767431A (zh) | 一种波长扫描共焦微位移测量装置及方法 | |
| CN105223163A (zh) | 一种基于古依相移π反转检测物体精细结构的装置 | |
| CN102419250B (zh) | 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 | |
| CN105044895B (zh) | 一种超分辨共焦显微成像装置与方法 | |
| CN109188672A (zh) | 一种光镊系统的可控旋转操作装置及方法 | |
| JP2018507386A (ja) | レンズフリーイメージングを実行するための装置および方法 | |
| CN202102170U (zh) | 使用同心双锥面镜实现全内反射荧光显微的系统 | |
| CN106403843A (zh) | 基于共焦显微技术的大口径高曲率光学元件的轮廓扫描测量装置及方法 | |
| CN115561220A (zh) | 一种光散射角分辨检测分析系统 | |
| CN202975465U (zh) | 一种光学显微镜自动聚焦检测装置 | |
| CN202403893U (zh) | 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 | |
| JP2017538970A (ja) | 光カプラ | |
| CN105158163B (zh) | 大口径单轴晶体光吸收系数测量装置及方法 | |
| CN110470639B (zh) | 一种基于激光诱导光热效应的多模式扫描显微镜成像系统 | |
| CN105698677A (zh) | 一种基于表面等离激元的四象限探测器 | |
| KR102298103B1 (ko) | 표면 검사 장치 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140212 Termination date: 20201103 |