CN108897100A - 一种具有疏水表面波导耦合的液态形变微腔结构及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有疏水表面波导耦合的液态形变微腔结构及其应用方法。结构包括基底、平面波导结构、疏水介质层及由形变液滴形成的液态形变光学微腔；平面波导结构中的波导嵌入于基底；疏水介质层位于平面波导结构上，液态形变光学微腔位于疏水介质层上；本发明中，液态形变光学微腔本征表面光滑，具有低的表面散射损耗，从而可实现高的品质因子；本发明所公开的结构可用于液态微腔激光的产生，光学滤波，折射率变化、增强荧光及增强拉曼生化传感等方面的应用。

Description

一种具有疏水表面波导耦合的液态形变微腔结构及其应用 方法

技术领域

本发明涉及光学传感检测技术及激光技术领域。一种具有疏水表面波导耦合的液态形变微腔结构及其应用方法。

背景技术

回音壁模式是电磁波在一定结构，即微腔内部的传播，表现为几何光束贴近微腔内表面圆周低损耗模式下的全反射。高的品质因子(Q值)和低的模容量使得回音壁模式在微激光、光频梳、新型光源、量子电动力学、生物化学及力学传感等方面有着广泛的应用前景。结构不对称性、材料、表面粗糙度、尺寸及界面两侧折射率对比等对回音壁模式有着重要影响。目前见之于报道的微腔结构有球状、环状、圆柱状、盘状、毛细管、瓶状、泡状及光子晶体等；液态微腔因表面张力作用，形状多为球状和纺锤状，表面粗糙度引起的散射损耗远远小于固态微腔；微腔的评价主要应考虑Q值、易于操作及可集成性三个方面的问题。

相对于固态微腔，液态微腔因其自然流体所存在的表面张力作用，具有以下几个优点：(1)自然球形，无需特意制作；分析物易于融入，以及易于与光场进行更充分的相互作用；(2)本征光滑的表面使其不存在固态微腔由于加工引起的表面粗糙度问题，意味着低的表面散射损耗和高Q值，从而实现更高灵敏度的传感检测，或者更低阈值的激光产生；(3)易于与微流特别是基于液滴操控的数字微流分析平台集成。

由于液体本身所具有的流动性，形成液态微腔的液滴主要为球状、纺锤状，且需要借助于适当的外物进行承载以确保形状及体积。比之于固态微腔的耦合方式，液态微腔光学倏逝光场模式耦合方式见之于报道的主要为自由空间耦合和拉锥光纤耦合。自由空间耦合利用空间光束与微腔耦合，激发获得耦合模式信号，通过测量透射光或散射光进行分析。但自由空间耦合辐射传输效率较低，且系统往往比较复杂，需要与液态的精确对准，操作不便。拉锥光纤耦合操作过程中不仅易于断裂且光纤锥表面易被污染，液态微腔易粘附于光纤锥上，操作不便，存在很大的局限。且目前报道的空间耦合及拉锥光纤耦合的方式是通过倏逝光场与水平赤道面，即，近似非形变圆形截面上的微腔模式进行耦合，该种耦合方式不易于进行集成化的应用。而本发明所提出的具有疏水表面波导耦合的液态形变微腔结构，其中的液态形变微腔是由形变液滴中沿着与平面波导结构轴向相切的形变经线平面上的闭合圆周路径构成。整个结构中的基底解决了对液态微滴的稳定承载，表面的疏水层减缓由于重力、表面张力等因素所引起的液滴的形变，而嵌入在基底内的波导则实现了对液态变形微腔的有效光耦合和激励。所以是一个集液滴固定和对液态形变微腔进行高效光耦合激励多功能为一体的共形结构，且具有结构简单稳定、易于实际操作和应用的特点。

发明内容

针对液态微腔技术中存在的上述问题，本发明提供了一种具有疏水表面波导耦合的液态形变微腔结构及其应用方法。

本发明提供了一种具有疏水表面波导耦合的液态形变微腔结构，该结构包括基底、平面波导结构、疏水介质层及由形变液滴产生的液态形变光学微腔。平面波导结构的波导嵌入基底，疏水介质层位于平面波导结构上，液态形变光学微腔位于疏水介质层上；平面波导表面可覆盖介质缓冲层，波导的折射率大于相邻的基底折射率、介质缓冲层折射率及液态形变光学微腔折射率；波导上表面与两侧的基底上表面在同一水平面上；平面波导形状可以是矩形、圆形、半圆形、椭圆形、梯形、三角形、六边形等形状；在此所述的疏水介质层指的是更广泛意义上的疏液介质层，其构成材料和结构要根据液滴的材料而变，如对水滴则采用疏水介质层，对油滴采用的则是疏油介质层等等，以此类推；构成液态微腔的液滴的材料可以是任何可形成液滴的流体物质；因表面态、界面张力、重力等的作用，在液滴、疏水介质层、及周围介质如空气等三者之间产生接触界面，形成一接触角，接触面使液滴发生形变，从而使得本发明中使用的由形变液滴中沿着与其下平面波导结构轴向相切的形变经线平面上的闭合圆周路径构成的微腔也是形变的——亦即本发明液态形变微腔的由来；由此产生的形变光学微腔由其下的平面波导进行光的激励和输出；为了使本发明结构有效应用，产生液态形变微腔的液滴半径大于1微米以上；液滴形变的截面椭圆度大于5％，椭圆度定义为(最大外径-最小外径)/标称外径*100％。

本发明提供了一种具有疏水表面波导耦合的液态形变微腔结构的应用方法，包括：

步骤1，把具有疏水表面并内嵌有平面耦合波导的基底水平放置，将液滴放置在该基底之上，并使液滴与该基底相接处的下极点与内嵌波导的中心相切；

步骤2，将波长可调的激光光束经起偏器转换成线偏振光，然后再从内嵌平面波导的一端耦合进波导，并激励液态形变光学微腔；

步骤3，从波导的另一端测量出射光，或者通过一显微物镜等光收集结构测量液态形变光学微腔周围的散射光；

步骤4，由步骤3所测量的出射光的透射谱及散射光光谱对该结构应用于激光产生、光学滤波、折射率传感、荧光、拉曼检测等应用中的性能进行分析。

附图说明

下面结合附图来对本发明作进一步详细说明，其中：

图1具有疏水表面波导耦合的液态形变微腔结构示意图；

图2具有疏水表面波导耦合的液态形变微腔结构横截面示意图；

图3疏水介质层表面接触角示意图；

图4不同接触角θ下疏水介质层表面的微腔内电场分布图(点光源波长1350-1650nm，液态形变光学微腔折射率1.43)；

图5实例1结构横截面示意图；

图6实例1结构应用示意图；

图7实例1平面波导结构模场分布图(波长750nm)；

图8实例1平面波导结构沿y轴正方向电场能量分布图(0<y≤1.6μm，基底；1.6<y≤2μm，波导；2<y≤2.04μm，疏水介质层；y＞2.04μm，空气)；

图9实例1结构纵向截面电场分布图(谐振波长735.872nm，θ＝150°)；

图10实例1结构透射光谱(波长范围650nm-750nm)；

具体实施方式

本发明提供的具有疏水表面波导耦合的液态形变微腔结构，基底折射率，波导折射率、介质缓冲层折射率、疏水介质层折射率及液态折射率之间满足全反射条件，即在液态微腔中的全反射和平面波导结构中的全反射。波导中有入射光存在时，入射光在界面发生全反射，平面波导结构中光的分布与液态形变光学微腔内光的分布之间发生耦合，耦合光进出液态形变光学微腔；波导横截面形状为矩形、圆形、半圆形、椭圆形、梯形、三角形、六边形等形状；通过测量得到的波导出射光及散射光，可实现光学传感等多方面的应用。

实例1

图5给出了一种具有疏水表面波导耦合的液态形变微腔结构的横截面示意图。实际耦合结构中液态微腔尺寸远大于波导横截面尺寸，不同接触角度下液态微腔内部电场分布见图4。图6给出了本实例耦合结构应用示意图。

在本实例中，入射光和透射光采用集成到波导介质中的尾纤进行输入和输出，散射光利用光探测器进行收集和检测。

在本实例中，输入光为单一模式波，波长为735.872nm；基底4为特氟龙，折射率1.35；波导3为H-BaK6玻璃，横截面长、宽均为0.4μm，折射率约1.55；介质缓冲层与疏水介质层均为特氟龙纳米结构，特氟龙纳米结构疏水介质层厚度40nm，折射率1.35；液态1为含有百分之七十甘油的水溶液，半径5μm，折射率约1.43。

图7是光波在波导中的能量分布情况，从波导中心向外能量逐渐减弱，图8为在图7中红色标记线上沿y轴正方向的电场能量分布曲线。y＝2.04μm处为波导边缘，倏逝光场穿过40nm厚的特氟龙纳米结构疏水介质层继续向y轴正向延伸。倏逝光场进入液态微腔产生耦合。图9为器件纵向截面场分布图，图10为耦合结构在波长650nm-750nm范围波导中的透射光谱图。

Claims (9)

1.一种具有疏水表面波导耦合的液态形变微腔结构，其特征在于，该结构包括基底、平面波导结构、疏水介质层及由形变液滴产生的液态形变光学微腔。平面波导结构中嵌入于基底，疏水介质层位于平面波导结构之上，液态形变光学微腔位于疏水介质层之上。平面波导结构耦合光进出光学微腔，疏水介质层用于减小液态微腔的形变，液态形变光学微腔用于谐振模式光的产生。

2.如权利要求1所述的平面波导结构，其特征在于，平面结构的波导嵌入基底，表面可覆盖介质缓冲层，波导折射率大于相邻介质层的折射率。

3.如权利要求2所述的平面波导结构，其特征在于，其波导横截面形状为矩形、圆形、半圆形、椭圆形、梯形、三角形、六边形等形状。

4.如权利要求1所述的疏水介质层，其特征在于，其构成材料和/或微纳结构需根据不同材料的液滴来改变，因此这里的疏水介质层泛指的是疏液介质层。

5.如权利要求1所述的疏水介质层，其特征在于，其与液态形变光学微腔直接接触；接触角不小于120°；其厚度不大于150nm。

6.如权利要求1所述的液态形变光学微腔，其特征在于，产生液态形变光学微腔的液滴材料可为水溶液、油及其它可形成液滴的流体物质。

7.如权利要求1所述的液态形变光学微腔，其特征在于，是由形变液滴中沿着与平面波导结构轴向相切的形变经线平面上的闭合圆周路径构成。

8.如权利要求1所述的液态形变光学微腔，其特征在于，产生液态形变光学微腔的液滴在不形变时的半径为1微米以上；液滴在形变时的椭圆度大于5％。

9.本发明提供了一种具有疏水表面波导耦合的液态形变微腔结构及其应用方法，包括：

步骤1，把具有疏水表面并内嵌有平面耦合波导的基底水平放置，将液滴放置在该基底之上，并使液滴与该基底相接处的下极点与内嵌波导的中心相切；

步骤2，将波长可调的激光光束经起偏器转换成线偏振光，然后再从内嵌平面波导入射端口耦合进入波导，并激励液态形变光学微腔；

步骤3，从波导的出射端口测量出射光，或者通过一显微物镜等光收集结构测量液态形变光学微腔周围的散射光；

步骤4，由步骤3所测量的出射光的透射谱及散射光光谱对该结构应用于激光产生、光学滤波、折射率传感、荧光、拉曼检测等应用中的性能进行分析。