[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明涉及光波导器件的本征参数测量与计算的技术领域，特别涉及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。

背景技术

光学信息处理系统的集成化和微型化使聚合物平面波导依靠其易加工、低损耗等优点迅速发展，而光波导器件的基本属性之一传播常数更在集成光学的光器件设计与研究中不可或缺。有源物质(发光粒子)掺杂于平面波导中，可有效补偿波导传输损耗，也用于发展各种有源波导光学器件，如波导激光器与波导放大器。因此研究有源物质聚合物波导中各种导波传播常数的测量方法具有重要应用价值。现有较为成熟的测量平面波导传播常数的方法主要是基于棱镜的角度扫描法(M线法)，并求解超越方程求出波导参数。其主要存在的问题为：

1、过程繁琐，测量速度慢。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，不能实现实时观测。

2、空间分辨率低。其结构只能在一维方向激励共振导模，同时没有高数值孔径物镜聚焦系统，因而空间分辨率较低。

3、局限性。此种方法不易直接计算表征传播常数的虚部，即导波的传播长度。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出了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，其结构简单紧凑，空间分辨率高，无需角度扫描，可实时监测，适合于平面波导传播常数的高效、完整测量。

本发明实现上述目的的技术方案如下：

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：其包括：激光光源，扩束透镜组，分束镜，高数值孔径油浸显微物镜，折射率匹配油，平面波导，滤光片，凸透镜和CCD图像传感器；其中，

所述的有源聚合物平面波导，是由玻璃基底，金属薄膜，掺有源物质的聚合物薄膜以及上方空气层构成的四层结构，其制备过程为：在玻璃基底上蒸镀或溅射金属薄膜，并在金属薄膜上旋涂有源物质掺杂的聚合物溶液，形成有源物质聚合物薄膜，其中，有源物质为荧光分子；

所述的激光光源所发射激光，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，以宽角度范围聚焦辐照到有源聚合物薄膜上，聚合物薄膜中的荧光分子受激辐射荧光，荧光耦合成传输于平面波导中的导波；在某些特定角度下，传输的导波的部分能量从玻璃基底一侧泄露辐射出波导结构，经显微物镜收集，通过分束镜、滤光片及凸透镜后在CCD图像传感器上呈现出不同半径大小的亮环，这些特定角度与后焦面光学像上的亮环半径一一对应，同时与波导结构中存在的各种模式传播常数的实部一一对应，通过分析荧光像中亮环的半径及已知的显微物镜数值孔径，计算出导模传播常数的实部；

通过后焦面上的反射光场光学像计算获得传播常数的虚部，其拟合计算步骤如下：读取图像，记录其中沿着直径方向的荧光强度分布曲线，并用洛伦兹型曲线对其拟合，求出直径方向上荧光强度分布曲线的半高宽，计算出传播长度；它对应于导模传播常数的虚部。

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，充分利用物镜的高数值孔径，获得较小尺寸的聚焦光斑，从而提高测量的空间分辨率，实现微区测量；同时利用同一物镜实现对荧光信号的收集与成像，简化了仪器结构。

本发明技术方案的原理为：

激发光经高数值孔径显微镜聚焦照射于有源聚合物平面波导，使掺杂于其中的有源物质(荧光分子)发射荧光，利用成像的方法，拍摄荧光在物镜后焦面上的强度分布图像，通过对图像上光强分布进行分析，推导出存在于此平面波导中各种导模的传播常数。导模的传播常数包含实部和虚部两部分，实部对应于导模的有效折射率，而虚部对应于此种模式在波导结构中的传播长度。具体的，