一种基于显微成像的聚合物平面波导光学参数测量仪

摘要

本发明公开了一种基于显微成像的聚合物平面波导光学参数测量仪，其包括：激光光源，偏振元件组，扩束透镜组，反射镜，高数值孔径油浸显微物镜，折射率匹配油，平面波导，分束镜，聚束透镜组，CCD图像传感器。光源发出的激光经过偏振元件组、扩束透镜组、反射镜、分束镜后，通过高数值孔径油浸显微物镜后以宽角度范围辐照到平面波导上，在某些特定辐照角度下，入射光转化为平面波导中的导波模式，同时其它辐照角度的光束被波导反射，再经高数值孔径油浸显微物镜、分束镜、聚束透镜组后会聚于CCD图像传感器；最终可计算出平面波导的重要光学参数。本发明结构简单紧凑，无需角度扫描，空间分辨率高，可实时监测，适合于平面波导参数的高效、实时测量。

说明书

技术领域

本发明涉及光波导器件光学参数表征的技术领域，特别涉及一种基于显微成像的聚合物 平面波导光学参数测量仪。

背景技术

平面波导是集成光学中的基础性元器件，聚合物平面波导的低损耗、高带宽、易于加工 等优点使其具有更广泛的应用，其光学参数的测量是制作高效可靠的光波导器件的必备要素 之一。现有的测量平面波导光学参数的方法主要是基于棱镜的角度扫描法(即M线法)，并 借助计算机求解超越方程求出波导参数。其主要存在的问题为：

1、操作不便。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，操作过程繁琐。

2、计算复杂。矩阵算法计算量大，模本征方程的求解需要计算机辅助。

3、局限性。其结构只能在一维方向激励共振导模，同时空间分辨率较低；不能实现实时 测量或监测。

发明内容

本发明的目的是克服现有检测技术的不足，提出一种基于显微成像的聚合物平面波导光 学参数的测量仪，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 面波导参数的高效、实时测量。

本发明实现上述目的的技术方案如下：

一种基于显微成像的聚合物平面波导光学参数测量仪，其包括：激光光源，偏振元件组， 扩束透镜组，反射镜，高数值孔径油浸显微物镜，折射率匹配油，平面波导，分束镜，聚束 透镜组和CCD图像传感器；其中，

所述的偏振元件组，是由起偏器及1/2波片组成的偏振元件组，用于改变激光的偏振方 向；

所述的平面波导，是由玻璃基底，金属薄膜，聚合物薄膜以及上方空气层构成的四层结 构，金属薄膜蒸镀或溅射在玻璃基底上，聚合物薄膜旋涂在金属薄膜上；

所述的激光光源所发射激光，通过偏振元件组后，形成线偏振光；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，以宽角度范围辐照在玻璃基底与金 属薄膜的界面，在某些特定角度下，激发传输于平面波导中的导波模式，简称导模，这些角 度与后焦面光学像上的暗弧一一对应；与其相应的入射光能量转化为导模光场能量，而其他 角度的光束大部分被平面波导反射回来，反射光经高数值孔径油浸显微物镜收集，再经分束 镜及聚束透镜组成像于CCD图像传感器，CCD图像传感器记录下高数值孔径油浸显微物镜 后焦面上的反射光场光学像，通过读取所成像中的暗弧位置及半径，计算出所激发的各种导 模的有效折射率。

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；可 实现宽角度范围照射平面波导，从而同时激发传输于平面波导中的各种导模。

进一步的，利用高数值孔径油浸显微物镜获得高空间分辨率，实现微区测量；同时利用 同一高数值孔径油浸显微物镜实现入射光聚焦激发导模以及反射光的收集成像，简化了仪器 结构。

进一步的，通过旋转1/2波片，可以控制高数值孔径油浸显微物镜后焦面光学像中的暗 弧方向，以判断所激发的各种导模的偏振状态。

本发明技术方案的原理为：

所述激光光源，通过所设计的光路，实现宽角度范围辐照平面波导。在某些特定入射角 度下，激发存在于波导中的各种导模；对应于这些角度的入射光场能量转换为平面波导中传 输的各种导模，进而在位于高数值孔径油浸显微物镜后焦面的反射光场像上产生各种不同半 径的暗弧。利用CCD图像传感器上所显示的暗弧半径(r＝f·nsinθ，r为暗弧半径，f为高 数值孔径油浸显微物镜的焦距，n为折射率匹配油的折射率，θ为导模的激发角)与视场半 径(R＝f·nsinθ_m，θ_m最大视角)的比值，计算出不同导模的激发角及其有效折射率。

本发明和传统技术相比的优势为：

1、结构简单：偏振光照明及显微物镜聚焦激发导模，通过CCD对物镜后焦面成像，利 用不同暗弧半径对应于不同传播常数的导模，直接测出所有导模的有效折射率，其结构简单 紧凑；

2、高效率：无需进行角度扫描，直接通过成像的方法进行测量，其测量时间短，操作 方便，效率高；同时可实时动态监测外界因素，如温度、湿度，其他激光辐照等对导模有效 折射率的影响；

3、高分辨率：显微物镜由于其结构的中心对称性，能在二维空间同时激发各种传输于平 面波导中的导模，且利用显微物镜聚焦光束，实现高空间分辨率的微区测量。

4、模式分析方便：利用CCD图像传感器观察图像中的暗弧位置及半径，直接计算各种 导模的偏振、激发角度及其有效折射率。

附图说明

图1为本发明一种基于显微成像的聚合物平面波导光学参数测量仪的结构示意图；

图2为显微物镜后焦面的光学像；

其中，1、激光光源；2、起偏器；3、1/2波片；4、扩束透镜组；5、反射镜；6、高数 值孔径油浸显微物镜；7、折射率匹配油；8、玻璃基底；9、金属薄膜；10、聚合物薄膜； 11、分束镜；12、聚束透镜组；13、CCD图像传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描叙，附图中相同的标号始终表示 相同的部件。

参照图1所示的基于显微成像的聚合物平面波导光学参数测量仪，包括：激光光源1， 偏振元件组(包括起偏器2和1/2波片3)，扩束透镜组4，反射镜5，高数值孔径油浸显微 物镜6(以下简称显微物镜6)，折射率匹配油7，玻璃基底8，金属薄膜9，聚合物膜10， 分束镜11，聚束透镜组12，CCD图像传感器13。其中，具体测量的平面波导为，在玻璃基 底8上蒸镀或溅射一层金属薄膜(如厚度为45nm的银膜)，进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)，烘干后通过折射率为1.516的匹配油7与显微物镜6(如 60X，N.A.＝1.42)相接；激光光源1所发射激光，通过改变偏振态的偏振元件组后，使之形 成线偏振光；扩束透镜组4将入射光扩束到能覆盖整个显微物镜6的入瞳面，经过反射镜5 反射后，经显微物镜6会聚到波导结构上，在玻璃基底8与金属薄膜9的界面发生反射；反 射光经显微物镜6收集，经分束镜11反射，由聚束透镜组12将显微物镜6的后焦面上的反 射光场分布成像于CCD13的光敏面，进而可以得到物镜后焦面的反射光场光学像。如图2 所示，基于上述条件和参数所形成的最外一圈暗弧，其与视场半径之比为0.9577，进而得知 此模式的激发角为63.78°，对应有效折射率为1.36的TM₁模。第二圈暗弧半径与视场半径 比为0.8521，该模式的激发角为52.95°，对应有效折射率为121的TE₁模。同理，TM₂模 的暗弧半径与视场半径比为0.7117，所以此模式的激发角为43.31°，其有效折射率为1.04。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。以上实施例仅用以说明本发明的技术方 案而非限制在具体实施方式的范围内，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在 权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构 思的发明创造均在保护之列。