一种表面波场增强可调谐的全内反射光学激发装置

摘要

本发明属于导波光学和光学测量技术领域，具体为一种表面波场增强可调谐的全内反射光学激发装置。本发明包括精密升降平台、倒梯形棱镜、准直激发光束、超薄平面载物玻璃及光学和光谱测量系统；倒梯形棱镜与超薄平面载物玻璃之间保持一定空气间隙，待测量样品与光学和光谱测量系统间保持一定的空气间隙；在入射角大于倒梯形棱镜上表面内全反射角的情况下,选择不同的入射角以激发超薄平面载物玻璃内的水平导波模式，利用该导波在其上表面形成的表面倏逝波场对待测样品进行光学激发，用精密升降平台严格控制倒梯形棱镜与超薄平面载物玻璃间的距离，可以实现对超薄平面载物玻璃上表面的倏逝波的场增强的连续调节。本发明在微纳材料的荧光光谱、吸收光谱及拉曼光谱测量等方面有重要应用。

说明书

技术领域

本发明属于导波光学和光学测量技术领域，具体涉及一种表面波场增强可调谐的全内反射光学激发装置。

背景技术

全内反射荧光光谱(total internal reflection fluorescence(TIRF))，以及表面增强拉曼光谱是研究表/界面材料结构的两个有效方法，它们都是利用表面倏逝波对分子进行浅层激发，而不会对待测物体内大量分子产生激发作用，从而可以实现有选择地进行测量和分析。但是，直接利用高折射率棱镜表面产生的倏逝波，其强度很弱，一般只能达到入射光的强度。为此，要得到较高强度的倏逝波，只有增加入射光强。这对于即使是采用激光作为光源的系统，光强度的提高幅度也是非常有限的，更何况一些利用非相干光源的情况。

本发明提出一种表面波场增强可调谐的全内反射光学激发装置，它利用平面光波导所产生的表面倏逝波，而非直接利用棱镜表面产生，其强度可以比入射光源本身的强度提高1-3个数量级，并且这种增强可以实现连续调节。平面光波导的表面倏逝波强度，主要受平面光波导中导波模式的耦合角(简称同步角)的调节精度制约。同步角控制得越精确，所得到的表面倏逝波越强，但其对角度的失调敏感度也越高。为了克服这一问题，我们提出通过调节棱镜与平面光波导的耦合间距的办法来实现在有限的入射角调节精度的情况下对表面倏逝波场增强的连续调节。

本发明的优点，在于用现有的具有纳米精度的位移调节机构来补尝对角度控制精度的过高要求，从而在现有的角度控制精度的情况下，可以对表面倏逝波的场强进行有效调节。同时，本发明的倏逝波强度调节方法不涉及对入射光的偏振态的改变，因此系统中无需安装价格昂贵的偏振器(尤其是对中远红外波段)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够对表面倏逝波的场强进行有效调节的全内反射光学激发装置。

直接在棱镜表面利用光的全反射原理所产生的表面倏逝波的强度通常与入射棱镜底面的光的强度相当，利用平面光波导中的导波模式所产生的表面倏逝波则可以达到比入射光场高得多的光场的增强，这个增强可以达到数个数量级。但是，平面光波导的表面倏逝波强度对波导模式的耦合同步角的失调量非常敏感，以至于无法通过调节同步角达到对倏逝波的强度进行调节的目的。

在棱镜耦合的平面光波导的结构中，对于一个有限精度的同步角所激发的光导波模式，其倏逝波强度随棱镜与平面光波导的耦合间距是一个相对缓慢变化的关系，可以通过改变该耦合间距的办法来实现在现有角度控制精度的情况下对平面光波导的表面倏逝波强度进行连续控制的目的。

基于上述原理，本发明设计了一种表面波场增强可调谐的全内反射光学激发装置，利用纳米精度的位移调节机构，对表面波场增强的调谐量可达到2个数量级。其结构如图1 所示，具体包括：一个精密升降平台，一个倒梯形棱镜，一束准直激发光束，一块超薄平面载物玻璃，以及一套光学和光谱测量系统；其中，倒梯形棱镜固定于上述精密升降平台上，且使棱镜底边保持水平；倒梯形棱镜上方依次为超薄平面载物玻璃、光学和光谱测量系统，倒梯形棱镜与超薄平面载物玻璃之间保持有一定空气间隙，超薄平面载物玻璃用于放置待测量样品，待测量样品与光学和光谱测量系统间保持有一定的空气间隙；准直入射光束对准倒梯形棱镜，其对于倒梯形棱镜的上底边的内入射角θ(相对于棱镜上表面法线N)大于其发生全内反射的临界角；并且入射角θ可连续调节；内反射光束由反射光收集器收集。

本发明中，所述精密升降平台用于控制倒梯形棱镜与超薄平面载物玻璃间的距离，可以实现对超薄平面载物玻璃上表面的倏逝波的场增强的连续调节，精密升降平台的定位精度可达到纳米级，总行程不少于500纳米。

本发明中，所述倒梯形棱镜为具有较高折射率(大于1.7)的玻璃，如重火石玻璃。

本发明中，所述准直入射光束为准直光束，为一平行准直光束，且其对于上述倒梯形棱镜的上底边的内入射角θ(相对于棱镜上表面法线N) 要大于其发生全内反射的临界角。并且入射角θ可连续调节，调节的精度达到秒级。

本发明中，所述超薄平面载物玻璃，为一平板玻璃，厚度不超过50微米，且对准直激发光束所在波段是透明的，其折射率不超过倒梯形棱镜。该超薄平面载物玻璃在工作中起平面光波导作用，用于在其上表面产生表面倏逝波，其空间位置在整个装置中相对固定。

本发明中，所述的倒梯形棱镜与超薄平面载物玻璃内要保持一定空气间隙，即倒梯形棱镜与超薄平面载物玻璃彼此不相连接，其间有一层空气隙，可以通过上述精密升降平台进行调节。

本发明中，所述的待测量样品与光学和光谱测量系统间保持一定的空气间隙，即要保持待测样品与光学和光谱测量系统中的光收集单元(如显微物镜)间要有一定的空气间隙，不能用油浸润，该间距一般不小于1微米。

本发明中，所述光学和光谱测量系统，包括光强测量的光电转换机构，以及光谱测量机构，用于进行荧光光谱、吸收光谱及拉曼光谱测量，以及相关数据采集和处理。

本发明中，在入射角大于倒梯形棱镜上表面内全反射角的情况下，选择不同的入射角以激发超薄平面载物玻璃内的水平导波模式，利用该导波在其上表面形成的表面倏逝波场对待测样品进行光学激发，用精密升降平台严格控制倒梯形棱镜与超薄平面载物玻璃间的距离，可以实现对超薄平面载物玻璃上表面的倏逝波的场增强的连续调节，其调节量可达到2个数量级，与所选择的导波模式及所采用的入射光束角度控制机构的精度有关，本发明的装置可在微纳材料的荧光光谱、吸收光谱及拉曼光谱测量等方面有重要应用。

本发明优点：

1、在于用现有的具有纳米精度的位移调节机构来补尝对角度控制精度的过高要求。从而在现有的角度控制精度的情况下，可以对表面倏逝波的场强进行有效调节；

2、对于现有的测量系统中已经配备有纳米位移控制机构的仪器系统，本发明可以通过简单地加装一个超薄平面载物玻璃，就可以实现对原有在棱镜表面上通过全内反射所产生的表面倏逝波场的数量级的增强，并且以这个增强可以进行连续调节。因此可以对现有仪器设备进行有效功能升级；

3、本发明的倏逝波强度调节方法不涉及对入射光的偏振态的改变，因此系统中无需安装价格昂贵的偏振器，尤其是对中远红外波段，偏振器及其调节机构都是非常贵的。因此有助于降低系统成本。

附图说明

图1为一种表面波场增强可调谐的全内反射光学激发装置示意图。

图2为表面倏逝场强度的空间变化情况。其中，(1) 左边Y轴 (棱形数据点)，为棱镜耦合平面光波导表面产生的倏逝波，(2) 右边Y 轴(线形数据) 为仅仅由棱镜全内反射在表面产生的倏逝波，两个情况下棱镜内入射角均为38.3594°。

图3为棱镜耦合平面光波导表面倏逝波最大值与仅仅是棱镜表面产生的倏逝波最大值的强度比随棱镜-平面波导的耦合间距的变化情况。其中，棱镜内入射角均为38.3594°(精度为小数点后第4位)，3条曲线代表入射角在小数点后第5位的变化情况。

图中标号：1为精密升降平台，2为准直激发光束，3为倒梯形棱镜，5 为超薄平面载物玻璃，4 为倒梯形棱镜与超薄平面载物玻璃之间的空气间隙，6 为反射光收集器，7为测量样品，9 为光学和光谱测量系统，8为待测量样品与光学和光谱测量系统间的空气间隙。

具体实施方式

本发明设计的表面波场增强可调谐的全内反射光学激发装置，具体包括：一个精密升降平台，一个倒梯形棱镜，一束发生全内反射的准直激发光束，一块超薄平面载物玻璃，倒梯形棱镜与超薄平面载物玻璃之间要保持一定空气间隙，及一套光学和光谱测量系统，待测量样品与光学和光谱测量系统间保持一定的空气间隙 。在入射角大于倒梯形棱镜上表面内全反射角的情况下，选择不同的入射角以激发超薄平面载物玻璃内的水平导波模式，利用该导波在其上表面形成的表面倏逝波场对待测样品进行光学激发。用精密升降平台严格控制倒梯形棱镜与超薄平面载物玻璃间的距离，可以实现对超薄平面载物玻璃上表面的倏逝波的场增强的连续调节，其调节量，一般可达到2个数量级，与所选择的导波模式及所采用的入射光束角度调节机构的精度有关，本发明的装置可在微纳材料的荧光光谱，吸收光谱，及拉曼光谱测量等方面有重要应用。结构示意图如图1所示。

根据图1所示的结构，选定一个激光工作波长如: 632.8nm，倒梯形棱镜材料选重火石玻璃，折射率为1.85，超薄平面载物玻璃取为火石玻璃，折射率为1.60，厚度为40微米。倒梯形棱镜与超薄平面载物玻璃之间的空气间隙初始设为0.5微米。

一束准直光束按照图1所示的光路入射倒梯形棱镜上底边，在大于全内反射的临界角的情况下，通过倒梯形棱镜，入射光会在超薄平面载物玻璃内部激发出许多的导波模式，调节入射光的入射角度，可以从中选择相应的导波。设光在棱镜内部上底边上的入射光强为1，以横电波(TE波)为例，入射光在棱镜内部，空气间隙，以及超薄平面载物玻璃内部和表面各部分的光场的场强表达式，均可以利用严格的耦合波理论列写出来，并根据TE波电场矢量在边界处的连续性条件进行定量计算。同样，仅仅由棱镜表面发生全内反射形成的表面倏逝场，也可用相应的理论进行计算。相关计算结果如图2 和图3 所示。

图2 显示在图1所示结构中棱镜内入射角为38.3594°时的棱镜耦合平面光波导表面倏逝场的强度空间变化(棱形数据，左边Y轴)，以及仅仅是棱镜表面的倏逝场的强度空间变化情况(线形数据，右边Y 轴)。由图中数据可见，由棱镜耦合平面光波导所产生的表面倏逝场的强度(左边Y轴)在玻璃表面为最强，其值在上述入射角下为1495.63，此时棱镜与玻璃平面波导的耦合间距为0.5微米。而在同样的入射角情况下，仅仅由棱镜表面全内反射时所产生的倏逝波的强度(右边Y 轴)则只有3.47。可见，经过棱镜耦合后在平面光波导表面产生的表面倏逝波要比仅仅由棱镜全内反射时所产生的倏逝波要增强至少2个数量级。

此时，在固定棱镜内准直光的入射角度不变的情况下，改变棱镜与玻璃平面波导的耦合间距，可以改变玻璃平面波导表面的倏逝场的强度。图3显示了相关结果。耦合间距从0.1微米变化到0.9微米。可以看到，玻璃平面波导表面的倏逝场的强度与仅仅由棱镜表面所产生的倏逝波的强度比，从约3.1，经过峰值的610，连续变化到约4.4。即倏逝波强度增量可达610，即大于两个数量级。不过，这个增量的最大值是与光在棱镜内的入射角的控制精度有关的，在入射角的第5位有变化时，增量最大值，如图3所示，分别为455.5，513.4，及610。

同时也需要注意，从图3 可以看到，耦合间距对倏逝波强度的调节在中心两侧的变化率也是入射角精度相关的。中心左边半支，即耦合间距从0.5 到0.1微米，三条曲线重合度很好，而右半支，即从0.5到0.9微米，相对而言，三个精度的曲线的重合度相对较差。因此，对平面波导所产生的表面倏逝波的强度控制，宜用耦合间距变化中心的左半支，这样，角度控制精度的影响会最小。

上述结果是在入射角精度控制达到小数点后第4位的情况下实现的。目前的机械式转台的角度控制精度可达到约1秒，即小数点后面第4位，基本上可以满足上述对倏逝波强度控制的目的。如果采用更精密的旋转机构对入射角进行控制，则相关场增强量还将进一步增加。