CN105932540B - 一种产生均匀倏逝波场的系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于导波光学技术领域，具体为一种产生均匀倏逝波场的系统。本发明系统包括:一个“折射率隙”结构和一套光束引导机构；折射率隙结构为由两块高折射率的横截面为梯形的平板材料，以及夹于其中的低折射率层所构成的平面型三层结构；一束激发光被光束引导机构分束后对称引导入折射率隙中的两个高折射率层中，并对称入射于低折射率层的界面，且入射角等于其全内反射角；两束光的强度和相位由可变分束镜和相位延迟器调节。采用本发明的可以在低折射率间隙层中产生均匀的倏逝波场，可用于材料的微纳结构分析或传感应用。

Description

一种产生均匀倏逝波场的系统

技术领域

本发明属于导波光学技术领域，具体涉及一种产生均匀倏逝波场的系统。

背景技术

材料的微结构分析中，拉曼散射和荧光是两种有效的分析方法。借助于平面光波导技术，可产生表面倏逝场，对待分析的样品进行激发。但是，由于表面倏逝场大多是指数衰减式空间分布，因此是不均匀的，从而使激发的效果受到空间不均匀的影响。同时，由于这种指数型衰减，倏逝场的有效深度很浅，一般在一个波长量级，因此，对样品的制备提出了很高的要求，也使得可测量的样品种类受到很限制。因此，研究能够产生均匀倏逝场的方法就成为迫切的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可产生稳定的和空间均匀分布的倏逝波场的系统。

倏逝场是由于光在从高折射率材料向低折射率材料的界面上发生全内反射时在低折射率材料内部产生的一种逐渐衰减的光波场，这种衰减呈现指数形式。但是，这个衰减形式在特定的情况下，可不是指数形式。 如果在低折射率材料的另一侧放置另一个高折射率材料，总体形成一个折射率的高-低-高的结构，俗称“折射率隙”结构，这时，在一侧发生全内反射的入射角下，低折射率内部的倏逝场将会从一端界面到另一端界面的线性衰减形式存在。若此时在间隙的另一侧的高折射率材料中，也用同样的光束产生同样的倏逝场，则两侧产生的同样线性衰减的倏逝场将会相互叠加，在低折射率间隙内产生均匀的倏逝场。并且理论上用这种方面产生的均匀倏逝场不受间隙宽度的限制。实际中，对于小于5微米的间隙内，倏逝场具有很好的稳定度。

因此，基于上述线性倏逝场的叠加原理，本发明设计的一种产生均匀倏逝波场的系统，其结构如图1 所示，它包括：一个平面型折射率隙结构，以及激发光束引导机构。其中，所述平面型折射率隙结构由两块高折射率平板材料: 基底层和覆盖层，以及夹于两块平板中的低折射率材料间隙层构成；所述的激发光束引导机构由激发光束，可变分束镜，相位延迟器，平面反射镜构成。

本发明中，所述激发光束1为连续或脉冲激光光束。

本发明中，所述的可变分束镜2为分束比可变的分束镜，对入射光束进行强度分配。

本发明中，所述的相位延迟器3为一光程可调机构，用于调节通过该相位延迟器的光程。

本发明中，所述的平面反射镜为两块4和6，是高反射率平面镜，用于将激发光束1引导进入平面型折射率间隙结构。其中，激发光经可变分束镜2分束后，一束激发光经相位延迟器3，由平面反射镜4反射，进入平面型折射率隙结构的基底层5；在基底层中，激发光束以基底层与间隙层的全内反射角入射界面，发生全内反射，在间隙层中，产生倏逝波场。另一束激发光经另一平面反射镜6反射，进入平面型折射率隙结构的覆盖层7；两束光的强度和相位分别由可变分束镜和相位延迟器调节。

本发明中，所述的基底层5和覆盖层7为高折射率材料，均匀，且对相应激发光束1为透明的材料，截面制成梯形，其底角一般可设计成光束与间隙层8的全内反射入射角，这样，光束对斜边的入射角就可为0度；其底边平行相对； 激发光束入射的斜面镀增透膜，以减少激发光的反射损耗。

本发明中，所述的激光光束在基底层5和覆盖层7与低折射率材料间隙层8的界面的入射角为其达到全内反射的临界角。

本发明中，所述的低折射率材料间隙层8为空气或可分散或可容纳待测样品的液体，可由低折射率材料间隙层8的两端导入和导出。 间隙层的厚度一般小于10微米。

上述，所谓的“高反射率”， 一般指反射率高于98%。“高折射率”、“低折射率”，是指基底层5和覆盖层7相对于低折射率材料间隙层8而言的，一般折射率相差不小于0.1。

本发明优点：

1、本发明的最大优点是倏逝场场区宽，场强均匀。这首先在于可以通过激光光束在一侧的入射，在全内反射的临界角处，实现线性衰减的倏逝场，有别一般的指数型衰减的倏逝场，场深度有所加大。如果在两侧同时引入相等强度和相同相位的激发光，由于两侧的线性倏逝场的叠加，则在低折射率的间隙内，将会产生均匀分布的倏逝场，场的深度将是充满整个间隙，因此，可以形成场区宽，场强均匀的倏逝场，形成对待测量样品的均匀激发，而不是只局限于界面表层的少量激发；

2、本发明的另一个优点是，场强分布可调节。这主要是可以通过调节两束激发光的相对相位，从而可以调节两者的叠加程度。如果两侧的倏逝场幅度相同而相位不同，则间隙中的倏逝场将是以间隙中间平面为对称面，形成V字形的槽形倏逝场。而如果两束激发光的幅度不同，则可以形成多种分布形式的倏逝场。而两侧激光强度和相位的控制，可由可变分束镜2和相位延迟器3分别控制；

3、本发明的第三个优点是，适用面宽: 当所采用的材料及光源不同，可以在不同的光谱区构建上述均匀倏逝场，因此，可以用于不同波段的测量；

4、本发明的第四个优点是可进行传感应用。当只在一侧引入激发光束，若低折射率间隙区的折射率明显改变，则全内反射的临界角会发生改变，从而改变全内反射的强度，在另一侧可能造成漏光。因此，监测另一侧的漏光强度可以传感间隙层内的折射率变化。

附图说明

图1为一种产生均匀倏逝波场的方法示意图。

图2为图1折射率隙结构中折射率沿X 方向的空间分布。低折射率层厚度d=5微米。两侧高折射率区域示意厚度为2微米。

图3 为激发光从一侧入射时，折射率隙结构中各区域光场幅度沿X 方向的空间分布，在界上的入射角为全内反射临界角。

图4为激发光从两侧入射时，折射率隙结构中倏逝场的X方向分布及其随两侧激发光相对相位的差的变化关系。

图中标号：1为激发光束，2为可变分束镜，3为相位延迟器，4为平面反射镜，5为基底层，6为平面反射镜，7为覆盖层，8为低折射率材料间隙层。

具体实施方式

根据图1所示的结构，选定一个激光工作波长如: 632.8nm 氦-氖激光光源，选择所述平面型折射率隙结构中的两块高折射率平板材料: 基底层5和覆盖层7均为玻璃材料，折射率为1.52，夹于其中低折射率材料间隙层8，选择为水，折射率1.33， 取低折射率材料间隙层8(水层)厚度为d=5微米；基底层5和覆盖层7的厚度远大于此，因而可视为无穷大，但在计算中取有限尺寸(2微米)，整个结构的折射率分布如图2 所示。基底层5和覆盖层7的梯形斜面镀多层介质增透膜，透射率不小于99%。

一束激发光经可变分束镜2均匀分束后，一束经相位延迟器3，由平面反射镜4反射，进入基底层5。在基底层中，激发光束以基底层与间隙层的全内反射角(61.04°)入射界面，发生全内反射，在间隙层(水层)中，产生倏逝波场。

利用严格的耦合波理论，可将激发光在上述折射率隙结构中的光场的表达式写出，以横电波(TE波)为例，在如图1的坐标系中:

(1)

上式中下标s，g，c 代表衬底，间隙，以及覆盖层，E 代表电场，A，B 代表相关本征波的系数。λ表波在相关区域的本征值， ， i=s，g，c。β为沿Z 方向的光的传播矢量。

应用TE波电场矢量在边界处的连续性条件，并假设入射光场在衬底与间隙层的边界上的光场幅度为1，则可得到在确定入射角的情况下的光场的表达式。特别是，在全内反射的临界角入射时， ， 经过一定的代数运算，在一级近似的情况下，可得上述折射率间隙层中的电场的表达式为:

(2)

可见这时的光场为一空间线性函数。图3 为激发光从一侧入射，且光在边界上的入射角为全内反射临界角时，图1的折射率隙结构中各区域光场幅度沿X 方向的空间分布，因此光场在间隙层中的分布为一线性衰减分布，直接将两个高折射率区域实现线性连接。

如果此时激发光以对称的方式从两侧高折射率区域同步入射，通过可变分束镜2和相位延迟器3将两个光束调节到同相和同幅度，并且也是以全内反射的临界角入射，则间隙两侧产生的线性倏逝场完全相同，两者相互叠加，可以产生如图4中的“延时0度”时的均匀光场。 图4中还同时显示了当调节相位延迟器3使两入射光束间有90度和180度相位延时情况下的间隙内的光场分布。可见是以间隙中心为对称面，从两个边界以相同的斜率下降的V 型槽的光场。改变两束激发光的相对强度，还可以在间隙层中组合出更多形态的倏逝波场。

从应用的角度上说，均匀倏逝场最适合在微纳样品的拉曼及荧光光谱分析中，作结构分析；另外，当低折射率间隙中的折射率发生改变，从而改变了全内反射角，这样反射区与对面的透射区的光强都会有所变化，这也有利于光传感的应用。因此，本发明在生物学，材料学，化学等领域有广泛的应用前景。

Claims (4)

1.一种产生均匀倏逝波场的系统,其特征在于包括：一个平面型折射率隙结构和一激发光束引导机构；其中，所述平面型折射率隙结构由两块高折射率平板材料: 基底层（5）和覆盖层（7），以及夹于两块平板中间的低折射率材料间隙层（8）构成；所述的激发光束引导机构由激发光束（1）、可变分束镜（2）、 相位延迟器（3）、两块平面反射镜（4、6）构成；其中：

所述激发光束（1）为连续或脉冲激光光束；

所述可变分束镜（2）为分束比可变的分束镜，用于对入射光束进行强度分配；

所述相位延迟器（3）为一光程可调机构，用于调节通过该相位延迟器的光程；

所述两块平面反射镜（4、6）为两块高反射率平面镜，用于将激发光束（1）引导进入平面型折射率隙结构；其中，激发光束经可变分束镜（2）分束后，一束经相位延迟器（3），由平面反射镜（4）反射，进入平面型折射率隙结构的基底层（5）；在基底层中，激发光束以基底层与间隙层的全内反射角入射界面，发生全内反射，在间隙层中，产生倏逝波场；另一束激发光束经另一平面反射镜（6）反射，进入平面型折射率隙结构的覆盖层；两束光的强度和相位分别由可变分束镜和相位延迟器调节。

2.根据权利要求1所述的系统,其特征在于：所述的基底层（5）和覆盖层（7）采用高折射率材料，均匀，且对相应激发光束（1），为透明的材料，截面为梯形，其底边平行相对，激发光束入射的斜面镀高透膜，以减少激发光束的反射损耗。

3.根据权利要求1所述的系统,其特征在于：所述的激发光束在基底层（5）和覆盖层（7）与低折射率材料间隙层（8）的界面的入射角为全内反射的临界角。

4.根据权利要求1所述的系统,其特征在于：所述的低折射率材料间隙层（8）为空气或可分散或可容纳待测样品的液体，可由低折射率材料间隙层（8）的两端导入和导出。