CN105278186A - 一种表面倏逝场强度可调谐的复合平面光波导 - Google Patents

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Abstract

本发明属于导波光学技术领域，具体为一种表面倏逝场强度可调谐的复合平面光波导。本发明设计的复合平面光波导结构包括:主导层和调谐层，主导层由玻璃基底和镀制于其上的周期性多层膜构成，调谐层由一层有效排列的液晶层和其衬底层构成；主导层和调谐层上下叠合构成复合平面波导。当对液晶层施加一定的外加电压后,可以显著改变复合结构的导模谱,同时改变导模场的强度,从而也改变在周期性多层膜外的倏逝场的强度。这种可调谐的表面倏逝场可用于微纳材料(尤其是有机或生物样品)的近场激发,以分析其结构信息。

Description

一种表面倏逝场强度可调谐的复合平面光波导
技术领域
本发明属于导波光学技术领域，具体涉及一种复合平面光波导。
背景技术
目前,微纳材料的结构和特性分析是科学研究的重要前沿,许多研究方法已在应用中,如以表面增强的拉曼散射方法(SurfaceenhancedRamanScattering,SERS)等。近年来,基于Bloch表面波(BlochSurfaceWave,BSW)的场增强作用受到人们关注。BSW是存在于周期性多层介质膜堆中的电磁波,基于光波导效应,光场被限制在周期性的膜层中产生局域化增强,并对其表面的倏逝波场也产生相应增强作用。目前BSW场增强的激发,还不能调谐。因此,研究一种原位的可调的场增强机制,对场增强因子进行主动控制,如连续的调节或设定,或在波长改变时进行场强倍率补偿,就成为一个具有重要科学和实际意义的问题,它不仅可以减少实验和结果的不确定性,有利于对不同的测量进行量化对比,同时还有利于进行荧光及拉曼信号的激发强度依赖性及特征荧光信号的激发谱的测量研究,有望提取更多的材料结构信息。
发明内容
本发明的目的在于设计一种可以实现倏逝场强度可调谐的复合平面光波导结构。通过一定的方式激发平面光波导中的导模,可以通过外加电压对相应的导模强度,从而也就是倏逝场强度,进行连续调谐。
本发明设计的表面倏逝场强度可调谐的复合平面光波导，其结构包括主导层和调谐层；其中，主导层由玻璃基底和镀制于玻璃基底上的周期性多层膜构成，调谐层由一层有效排列的液晶层和其衬底层构成；主导层和调谐层上下叠合构成复合平面波导。从光波导结构沿导波传播方向纵向剖面，从下到上分层，依次为:衬底层1，底面电极2，下液晶定向层3，液晶层4，液晶封框5，上液晶定向层6，上面电极7，玻璃基底8，周期性多层膜9，波导覆盖层10。结构示意图如图1所示。
本发明中，所述衬底层1为透明材料,材料为玻璃,石英等。
本发明中，所述底面电极2和上面电极7为透明电极,材料为ITO等。
本发明中，所述下液晶定向层3和上液晶定向层6为液晶表面定向材料,具体材料可为聚酰亚胺等。
本发明中，所述液晶层4为有效排列的向列型液晶材料,可以是正性或负性液晶材料,如5CB,E7等。排列方式可以是平行衬底层,垂直衬底层,扭曲排列等。
本发明中，所述液晶封框5为透明树脂固化胶,如UV胶等。
本发明中，所述的玻璃基底8为一个透明薄片,材料为玻璃,石英等。
本发明中，所述的周期性多层膜9为高、低折射率交替的周期薄膜层,如氧化钽/石英(Ta2O5/SiO2)周期结构,或聚合物周期性结构等。
本发明中，所述的波导覆盖层10,在没加入待测样品时即为空气层,加入待测量样品后即为待测量样品构成。
本发明中，如图1所示的复合光波导结构,可以采用棱镜耦合或端面耦合的方式进行导波模式的激发.所激发的导模光场,会在周期性多层结构中形成高强度的模场分布。
本发明中，如图1所示的复合光波导结构,当对底面电极2和上面电极7施加外另加电压时,可以调节导模场的横向分布和峰值强度,从而改变覆盖层中的倏逝场强.这个可调的倏逝场强可用于对复合波导覆盖层的材料进行近场激发,以分析其微观结构。
本发明的结构,还可以用于不同激发波长的光的导模场强度进行增强补偿。它不仅可以减少测量实验和结果的场强不确定性,有利于对不同的测量进行量化对比,同时还有利于进行荧光及拉曼信号的激发强度依赖性及特征荧光信号的激发谱的测量研究,有望提取更多的材料结构信息.
本发明优点：
1、表面倏逝场强度可实现连续单调调谐,而且调谐幅度大.目前的设计可达到7个数量级；
2、所调谐的导模场模式保持不变；
3、调谐简单,完全是依靠外加电压实现,无需要任何部件的运动。
上述这些特点,使得本方法产生的可调倏逝场可以方便地对微纳尺度的样品进行定量激发测量。
附图说明
图1为复合平面光波导结构设计示意图。
图2为液晶层被施加不同电压下的倾角分布，从下到上,所施加的电压为2.0到3.1V。
图3为两个不同外加电压(2.0和3.1V)下复合平面光波导中的折射率分布。
图4为复合平面光导波中的导模场分布，所施加电压为2.0V。
图5为不同外加电压下复合平面波导中的场振幅强度。其中,方点曲线代表波导内峰值场振幅,圆点曲线代表平面波导覆盖层与多层膜边界处的倏逝场振幅。
具体实施方式
根据图1所示的结构,选择一系列材料参数:
玻璃衬底(1):折射率1.55,厚度取100μm;ITO电极(2)和(7):折射率1.9,厚度100nm;上下液晶定向层(3)和(6):聚酰亚胺,折射率1.55,厚度100nm;正性液晶层(4)5CB,no=1.52,ne=1.7,液晶的弹性参数,k11=7.7×1012,k33=12.2×1012,ε0=8.85e×1012,ε\\=10.6×ε0,ε⊥=4.6×ε0.液晶取向为沿面平行排列;液晶封框(5)为UV胶;玻璃基底(8)折射率1.52,厚度3微米;周期性多层膜(9)取氧化钽/石英(Ta2O5/SiO2)周期结构,周期数为2,其中氧化钽折射率2.1,厚度为50nm,石英层折射率1.45,厚度73nm;波导覆盖层(10)为待测材料,折射率取1.5,厚度取3μm.
利用多层介质膜的传输矩阵(Transmissionmatrix)方法,本发明所设计的波导工作模式为TM波,偏振面位于图平面(XZ)内。耦合入波导的光波从左向右传播。
外加电压接入电极层电极(2)和(7),产生垂直于波导平面的电场,使液晶在XZ面内产生倾斜(tilting),倾斜角在液晶层内沿X轴方向的分布可以用弹性连续体理论计算得到,结果如图2所示。图中所施加的电压的变化范围为2.0-3.1V。由于液晶层内分子发生的倾斜而使液晶层对TM波的折射率发生改变,改变的情况如图3所示。图3中代表性地显示了在施加电压为2.0和3.1V时的折射率沿波导层的分布情况。
外加电压导致波导折射率的改变会使得复合平面波导的导模谱发生变化,即所包含的稳定的导模数量及其模场分布发生变化。但计算发现,发生变化的导模,主要分布在调谐层内,而主导层的周期性多层膜内的导模(折射率ngm=1.5588)及其场结构基本保持不变,但场强会发生变化。图4显示了主导层内多层膜中的导模场在复合平面波导中的分布。此时为施加2.0V电压的情况。场强计算中假设模场在复合平面光波导中的衬底与液晶层的界面处的场强为1。
随着外加电压从2.0V增加到3.1V,主导层中的导模场峰值单调下降,从约5×1011下降到约2×104,达到超过7个数量级的变化。如图5所示，图5中,黑色的方点曲线代表多层膜内导模场的峰值强度,而红色的圆点曲线代表在波导与覆盖层界面处的倏逝场强,也发生了相应数量级的变化。
因此通过本发明设计的这种复合平面光波导结构,实现了在施加一定的外加电压变化量(约1V)的情况下,表面倏逝场的变化达到7个数量级的连续单调场强调谐。

Claims (10)

1.一种表面倏逝场强度可调谐的复合平面光波导,其特征在于：其结构包括主导层和调谐层；其中，所述主导层由玻璃基底和镀制于玻璃基底上的周期性多层膜构成，所述调谐层由一层有效排列的液晶层和其衬底层构成；主导层和调谐层上下叠合构成复合平面波导；从光波导结构沿导波传播方向纵向剖面，从下到上分层，依次为:衬底层(1)，底面电极(2)，下液晶定向层(3)，液晶层(4)，液晶封框(5)，上液晶定向层(6)，上面电极(7)，玻璃基底(8)，周期性多层膜(9)，波导覆盖层(10)。
2.根据权利要求1所述的表面倏逝场强度可调谐的复合平面光波导,其特征在于：所述的衬底层(1)为透明材料,材料为玻璃或石英。
3.根据权利要求1所述的表面倏逝场强度可调谐的复合平面光波导,其特征在于：所述的底面电极(2)和上面电极(7)为透明电极,材料为ITO。
4.根据权利要求1所述的表面倏逝场强度可调谐的复合平面光波导,其特征在于：所述的下液晶定向层(3)和上液晶定向层(6)为液晶表面定向材料,材料为聚酰亚胺。
5.根据权利要求1所述的表面倏逝场强度可调谐的复合平面光波导,其特征在于：所述的液晶层(4)为有效排列的向列型液晶材料，排列方式是平行于衬底层,或垂直于衬底层,或扭曲排列。
6.根据权利要求1所述的表面倏逝场强度可调谐的复合平面光波导,其特征在于：所述的液晶封框(5)为透明树脂固化胶,材料为UV胶。
7.根据权利要求1所述的表面倏逝场强度可调谐的复合平面光波导,其特征在于：所述的玻璃基底(8)为一个透明薄片,材料为玻璃或石英。
8.根据权利要求1所述的表面倏逝场强度可调谐的复合平面光波导,其特征在于：所述的周期性多层膜(9)为高/低折射率交替的周期薄膜层,材料为氧化钽/石英的周期结构,或聚合物周期性结构。
9.根据权利要求1所述的表面倏逝场强度可调谐的复合平面光波导,其特征在于：所述的波导覆盖层(10),为空气层,在加入待测量样品后即由待测量样品构成。
10.根据权利要求1所述的表面倏逝场强度可调谐的复合平面光波导,其特征在于：采用棱镜耦合或端面耦合的方式进行导波模式的激发，所激发的导模光场,在周期性多层结构中形成高强度的模场分布。
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