專利名稱：一種基于顯微成像的聚合物平面波導(dǎo)光學(xué)參數(shù)測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光波導(dǎo)器件光學(xué)參數(shù)表征的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于顯微成像的聚合物平面波導(dǎo)光學(xué)參數(shù)測量儀。
背景技術(shù)：
平面波導(dǎo)是集成光學(xué)中的基礎(chǔ)性元器件，聚合物平面波導(dǎo)的低損耗、高帶寬、易于加工等優(yōu)點使其具有更廣泛的應(yīng)用，其光學(xué)參數(shù)的測量是制作高效可靠的光波導(dǎo)器件的必備要素之一?，F(xiàn)有的測量平面波導(dǎo)光學(xué)參數(shù)的方法主要是基于棱鏡的角度掃描法(即M線法)，并借助計算機(jī)求解超越方程求出波導(dǎo)參數(shù)。其主要存在的問題為1、操作不便。M線法測量波導(dǎo)的有效折射率需要特定的棱鏡耦合儀(θ -2 θ儀)， 并且需要角度的逐點掃描，速度慢，耗時長，操作過程繁瑣。2、計算復(fù)雜。矩陣算法計算量大，模本征方程的求解需要計算機(jī)輔助。3、局限性。其結(jié)構(gòu)只能在一維方向激勵共振導(dǎo)模，同時空間分辨率較低；不能實現(xiàn)實時測量或監(jiān)測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有檢測技術(shù)的不足，提出一種基于顯微成像的聚合物平面波導(dǎo)光學(xué)參數(shù)的測量儀，其結(jié)構(gòu)簡單緊湊，空間分辨率高，無需角度掃描，可實時監(jiān)測，適合于平面波導(dǎo)參數(shù)的高效、實時測量。本發(fā)明實現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案如下一種基于顯微成像的聚合物平面波導(dǎo)光學(xué)參數(shù)測量儀，其包括激光光源，偏振元件組，擴(kuò)束透鏡組，反射鏡，高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡，折射率匹配油，平面波導(dǎo)，分束鏡，聚束透鏡組和CXD圖像傳感器；其中，所述的偏振元件組，是由起偏器及1/2波片組成的偏振元件組，用于改變激光的偏振方向；所述的平面波導(dǎo)，是由玻璃基底，金屬薄膜，聚合物薄膜以及上方空氣層構(gòu)成的四層結(jié)構(gòu)，金屬薄膜蒸鍍或濺射在玻璃基底上，聚合物薄膜旋涂在金屬薄膜上；所述的激光光源所發(fā)射激光，通過偏振元件組后，形成線偏振光；通過擴(kuò)束透鏡組擴(kuò)束后經(jīng)反射鏡、高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡，折射率匹配油，以寬角度范圍輻照在玻璃基底與金屬薄膜的界面，在某些特定角度下，激發(fā)傳輸于平面波導(dǎo)中的導(dǎo)波模式，簡稱導(dǎo)模，這些角度與后焦面光學(xué)像上的暗弧一一對應(yīng)；與其相應(yīng)的入射光能量轉(zhuǎn)化為導(dǎo)模光場能量， 而其他角度的光束大部分被平面波導(dǎo)反射回來，反射光經(jīng)高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡收集， 再經(jīng)分束鏡及聚束透鏡組成像于CXD圖像傳感器，CXD圖像傳感器記錄下高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡后焦面上的反射光場光學(xué)像，通過讀取所成像中的暗弧位置及半徑，計算出所激發(fā)的各種導(dǎo)模的有效折射率。進(jìn)一步的，所述的激光光源通過擴(kuò)束后，覆蓋整個高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡的入瞳；可實現(xiàn)寬角度范圍照射平面波導(dǎo)，從而同時激發(fā)傳輸于平面波導(dǎo)中的各種導(dǎo)模。進(jìn)一步的，利用高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡獲得高空間分辨率，實現(xiàn)微區(qū)測量；同時利用同一高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡實現(xiàn)入射光聚焦激發(fā)導(dǎo)模以及反射光的收集成像，簡化了儀器結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步的，通過旋轉(zhuǎn)1/2波片，可以控制高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡后焦面光學(xué)像中的暗弧方向，以判斷所激發(fā)的各種導(dǎo)模的偏振狀態(tài)。本發(fā)明技術(shù)方案的原理為所述激光光源，通過所設(shè)計的光路，實現(xiàn)寬角度范圍輻照平面波導(dǎo)。在某些特定入射角度下，激發(fā)存在于波導(dǎo)中的各種導(dǎo)模；對應(yīng)于這些角度的入射光場能量轉(zhuǎn)換為平面波導(dǎo)中傳輸?shù)母鞣N導(dǎo)模，進(jìn)而在位于高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡后焦面的反射光場像上產(chǎn)生各種不同半徑的暗弧。利用CXD圖像傳感器上所顯示的暗弧半徑(r = f · nsin θ，r為暗弧半徑，f為高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡的焦距，η為折射率匹配油的折射率，θ為導(dǎo)模的激發(fā)角)與視場半徑(R = f Tisinem, 9 ]最大視角)的比值，計算出不同導(dǎo)模的激發(fā)角及其有效折射率。本發(fā)明和傳統(tǒng)技術(shù)相比的優(yōu)勢為1、結(jié)構(gòu)簡單偏振光照明及顯微物鏡聚焦激發(fā)導(dǎo)模，通過CXD對物鏡后焦面成像， 利用不同暗弧半徑對應(yīng)于不同傳播常數(shù)的導(dǎo)模，直接測出所有導(dǎo)模的有效折射率，其結(jié)構(gòu)簡單緊湊；2、高效率無需進(jìn)行角度掃描，直接通過成像的方法進(jìn)行測量，其測量時間短，操作方便，效率高；同時可實時動態(tài)監(jiān)測外界因素，如溫度、濕度，其他激光輻照等對導(dǎo)模有效折射率的影響；3、高分辨率顯微物鏡由于其結(jié)構(gòu)的中心對稱性，能在二維空間同時激發(fā)各種傳輸于平面波導(dǎo)中的導(dǎo)模，且利用顯微物鏡聚焦光束，實現(xiàn)高空間分辨率的微區(qū)測量。4、模式分析方便利用CCD圖像傳感器觀察圖像中的暗弧位置及半徑，直接計算各種導(dǎo)模的偏振、激發(fā)角度及其有效折射率。


圖1為本發(fā)明一種基于顯微成像的聚合物平面波導(dǎo)光學(xué)參數(shù)測量儀的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為顯微物鏡后焦面的光學(xué)像；其中，1、激光光源；2、起偏器；3、1/2波片；4、擴(kuò)束透鏡組；5、反射鏡；6、高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡；7、折射率匹配油；8、玻璃基底；9、金屬薄膜；10、聚合物薄膜；11、分束鏡； 12、聚束透鏡組；13、CXD圖像傳感器。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描敘，附圖中相同的標(biāo)號始終表示相同的部件。參照圖1所示的基于顯微成像的聚合物平面波導(dǎo)光學(xué)參數(shù)測量儀，包括激光光源1，偏振元件組(包括起偏器2和1/2波片幻，擴(kuò)束透鏡組4，反射鏡5，高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡6 (以下簡稱顯微物鏡6)，折射率匹配油7，玻璃基底8，金屬薄膜9，聚合物膜10， 分束鏡11，聚束透鏡組12，CXD圖像傳感器13。其中，具體測量的平面波導(dǎo)為，在玻璃基底 8上蒸鍍或濺射一層金屬薄膜(如厚度為45nm的銀膜)，進(jìn)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)，烘干后通過折射率為1. 516的匹配油7與顯微物鏡 6(如60X，N. A. = 1.42)相接；激光光源1所發(fā)射激光，通過改變偏振態(tài)的偏振元件組后， 使之形成線偏振光；擴(kuò)束透鏡組4將入射光擴(kuò)束到能覆蓋整個顯微物鏡6的入瞳面，經(jīng)過反射鏡5反射后，經(jīng)顯微物鏡6會聚到波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上，在玻璃基底8與金屬薄膜9的界面發(fā)生反射；反射光經(jīng)顯微物鏡6收集，經(jīng)分束鏡11反射，由聚束透鏡組12將顯微物鏡6的后焦面上的反射光場分布成像于CCD13的光敏面，進(jìn)而可以得到物鏡后焦面的反射光場光學(xué)像。 如圖2所示，基于上述條件和參數(shù)所形成的最外一圈暗弧，其與視場半徑之比為0. 9577，進(jìn)而得知此模式的激發(fā)角為63. 78°，對應(yīng)有效折射率為1.36的TM1模。第二圈暗弧半徑與視場半徑比為0.8521，該模式的激發(fā)角為52. 95°，對應(yīng)有效折射率為121的TE1模。同理， TM2模的暗弧半徑與視場半徑比為0. 7117，所以此模式的激發(fā)角為43. 31°，其有效折射率為 1. 04。 本發(fā)明未詳細(xì)闡述的部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制在具體實施方式
的范圍內(nèi)，對本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，只要各種變化在權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。
權(quán)利要求
1.一種基于顯微成像的聚合物平面波導(dǎo)光學(xué)參數(shù)測量儀，其特征在于該測量儀包括激光光源(1)，偏振元件組，擴(kuò)束透鏡組(4)，反射鏡( ，高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡(6)， 折射率匹配油(7)，平面波導(dǎo)，分束鏡(11)，聚束透鏡組(1 和CCD圖像傳感器(13)；所述的偏振元件組，是由起偏器( 及1/2波片C3)組成的偏振元件組，用于改變激光的偏振方向；所述的平面波導(dǎo)，是由玻璃基底(8)，金屬薄膜(9)，聚合物薄膜(10)以及上方空氣層構(gòu)成的四層結(jié)構(gòu)，金屬薄膜(9)蒸鍍或濺射在玻璃基底(8)上，聚合物薄膜(10)旋涂在金屬薄膜(9)上；所述的激光光源(1)所發(fā)射激光，通過偏振元件組后，形成線偏振光；通過擴(kuò)束透鏡組 (4)擴(kuò)束后經(jīng)反射鏡(5)、高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡(6)，折射率匹配油(7)，以寬角度范圍輻照在玻璃基底(8)與金屬薄膜(9)的界面，在某些特定角度下，激發(fā)傳輸于平面波導(dǎo)中的導(dǎo)波模式，簡稱導(dǎo)模，這些角度與后焦面光學(xué)像上的暗弧一一對應(yīng)；與其相應(yīng)的入射光能量轉(zhuǎn)化為導(dǎo)模光場能量，而其他角度的光束大部分被平面波導(dǎo)反射回來，反射光經(jīng)高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡(6)收集，再經(jīng)分束鏡(11)及聚束透鏡組(1 成像于CCD圖像傳感器 (13),CCD圖像傳感器(1 記錄下高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡(6)后焦面上的反射光場光學(xué)像，通過讀取所成像中的暗弧位置及半徑，計算出所激發(fā)的各種導(dǎo)模的有效折射率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于顯微成像的聚合物平面波導(dǎo)光學(xué)參數(shù)測量儀，其特征在于，所述的激光光源(1)通過擴(kuò)束后，覆蓋整個高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡(6)的入瞳； 可實現(xiàn)寬角度范圍照射平面波導(dǎo)，從而同時激發(fā)能傳輸于平面波導(dǎo)中的各種導(dǎo)模。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于顯微成像的聚合物平面波導(dǎo)光學(xué)參數(shù)測量儀，其特征在于，利用高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡(6)獲得高空間分辨率，實現(xiàn)微區(qū)測 量；同時利用同一高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡(6)實現(xiàn)入射光聚焦激發(fā)導(dǎo)模以及反射光的收集成像，簡化了儀器結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于顯微成像的聚合物平面波導(dǎo)光學(xué)參數(shù)測量儀，其特征在于，通過旋轉(zhuǎn)1/2波片(3)，可以控制高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡(6)后焦面光學(xué)像中的暗弧方向，以判斷所激發(fā)的各種導(dǎo)模的偏振狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于顯微成像的聚合物平面波導(dǎo)光學(xué)參數(shù)測量儀，其包括激光光源，偏振元件組，擴(kuò)束透鏡組，反射鏡，高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡，折射率匹配油，平面波導(dǎo)，分束鏡，聚束透鏡組，CCD圖像傳感器。光源發(fā)出的激光經(jīng)過偏振元件組、擴(kuò)束透鏡組、反射鏡、分束鏡后，通過高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡后以寬角度范圍輻照到平面波導(dǎo)上，在某些特定輻照角度下，入射光轉(zhuǎn)化為平面波導(dǎo)中的導(dǎo)波模式，同時其它輻照角度的光束被波導(dǎo)反射，再經(jīng)高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡、分束鏡、聚束透鏡組后會聚于CCD圖像傳感器；最終可計算出平面波導(dǎo)的重要光學(xué)參數(shù)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單緊湊，無需角度掃描，空間分辨率高，可實時監(jiān)測，適合于平面波導(dǎo)參數(shù)的高效、實時測量。
文檔編號G01M11/02GK102426093SQ20111034738
公開日2012年4月25日 申請日期2011年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月3日
發(fā)明者傅強, 張斗國, 明海, 王向賢, 王沛, 陳漪愷 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)