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p l d多层s p r生物传感器的制备与实验研究 摘要 随着薄膜制作技术和精细加工技术的快速发展， 光学薄膜技术也日 益成熟起 来， 它不仅广泛应用于光通信、 光信息处理、 光学测量等领域， 而且在传感器方 面也逐渐显示出它的独特优越性和实用性， 其在生化、 医学、 生命科学、 环境检 测等领域的应用已 经使它成为当今传感器领域研究的一个热点。本文利用 p l d 技术制备光波导生物传感器所必须的光学薄膜，并在此基础上对传统的s p r生 物传感器进行了改进和实验研究，其具体工作如下: 1 .采用先进p l d( 脉冲激光沉积技术) 在棱镜底部通过缓冲层制备出光学特性 优良 的z n o薄膜， 改变了传统的光学制膜方法， 大大提高了光学薄膜的均匀 性，并通过x r d ( x射线衍射仪) 和s e m ( 扫描电 镜) 检测了其结晶情况， 用实验数据及结果分析了其沉积温度和结晶质最之间的相互关系。 2 .利用 m线与数值计算相结合的方法测量了光学薄膜的厚度和折射率， 为设计 多层s p r生物传感器提供了实验参数和理论依据。 3 . 理论分析多层s p r生物传感器的物理机理， 并通过实验测量了 对于不同 检测 物的a t r谱线，通过与一般的s p r生物传感器的结果和数据比较发现:多 层s p r生物传感器具有更高的分辨力和解析力， 从而为设计高分辨率、 高解 析力的新型传感器提供了新的理论依据和实验参考。 关健词: p l d( 脉冲激光沉积技术) ， s p r( 表面等离子共振) ， a t r( 衰减全反射) p l d多层s p r生物传感器的 制备与实验研究 wi t h t h e g r e a t d e v e l o p m e n t o f f i l m p r e p a r a t i o n t e c h n o l o g y , o p t i c a l f i l m h a s g a in e d a g r e a t p r o g r e s s , i t h a s b e e n u s e d i n t h e fi e l d o f o p t i c a l c o m m u n i c a t io n , o p t i c a l m e s s a g e a n d o p t i c a l d e t e c t i o n , e s p e c i a l l y i n t h e a s p e c t o f o p t i c a l s e n s o r s ; i t s a d v a n t a g e s h a v e d r a w n a t t e n t i o n s o f a l o t o f re s e a r c h e r s o v e r t h e w o r l d . i n t h i s p a p e r , a n e w m e t h o d t o e n h a n c e t h e a b s o r p t i o n s e n s i t iv i t y o f a s a m p l e b y u t i l i z i n g m e t a l - c l a d z n o o p t i c a l fi l m w a v e g u i d e c o n f i g u r a t i o n t o re p l a c e s i n g l e m e t a l f i l m i n s p r s e n s o r s i s p ro p o s e d . t h i s p a p e r c a n b e d iv i d e d i n t o t h r e e p a rt s : f i r s t , t h e z n o fi l m i s p r e p a r e d o n t h e b o t t o m o f p r i s m w i t h t h e p i .d伽 u l s e l a s e r d e p o s i t i o n ) t e c h n o l o g y w h i c h i s e v e n e r t h a n t h a t i s p re p a r e d b y t r a d i t i o n a l m e t h o d a n d t h e o p t i c a l a n d c r y s t a l c h a r a c t e r i s t i c s a r e d e t e c t e d b y s e m a n d x r d t e c h n o l o g i e s . s e c o n d , t h e fi l m t h i c k n e s s a n d re f r a c t i v e i n d e x o f z n o f i l m a r e m e a s u r e d b y t h e m - l i n e m e t h o d , w h i c h p ro v i d e e x p e r i m e n t a l p a r a m e t e r s f o r t h e d e s i g n o f t h e m u l t i l a y e r s p r b i o s e n s o r . t h i r d , t h e m u l t i l a y e r s p r s e n s o r d e s i g n i s i n t ro d u c e d , t h e e x p e r i m e n t a l s e t u p i s b a s e d o n t h e c o n f i g u r a t i o n o f t h e a t t e n u a t e d t o t a l re fl e c t i o n ( a t r ) m e t h o d . t h e d e t e c t i o n m e c h a n i s m i s a n a l y z e d t h e o re t i c a l l y ; t h e n u m e r ic a l c a l c u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e m u l t i l a y e r s p r s e n s o r e x h i b i t s a g r e a t s e n s i t i v i 妙e n h a n c e m e n t a n d h i g h re s o l v i n g p o w e r . k e y w o r d s : p l .d ( p u l s e l a s e r d e p o s i t io n ) ; s p r ( s u r f a c e p la s m a r e s o n a n c e ) ; a t r ( a t t e n u a t e d t o t a l r e fl e c t i o n ) p i d多 层s p r生物传感器的制各与实验研究 第1 章绪论 世界光纤通信技术已 经取得巨 大的阶段性进展。 为使光纤通信技术进一步向 前发展，人们开始把注意力集中于集成光路。集成光路的概念，起源于2 0 世纪 6 0 年代未、7 0 年代初。当时由于薄膜技术和箱细加工技术水平较低，因此各种 薄膜波导型光学器件只存在理论上的分析， 无法实现其优异的特性。 但在其后的 几十年的时间 里， 作为光源的半导体激光器、 作为 光传输媒体的 光纤取得了 令人 耳目一新的发展， 光通信系统所必需的外围硬件也被一一实现。 在光学技术发展 过程中， 集成光路虽然若隐若现， 但却在稳步地向 前发展。 从事集成光路研究的 科研人员和技术人员，在支撑现代高新技术的集成电路迅猛发展的启迪与促进 下， 也在为这种新型光学器件早日实现实用化的理想进行着不懈的努力。 由于这 些因素，使得实用性极强和发展前途极广的集成光路迎来了成熟阶段. 随着光通信、 光信息处理和光学薄膜制备技术的不断发展和成熟， 光传感技 术作为一种新型的传感技术也得到了迅猛的发展， 它是一种以 光波为载体， 光波 导为媒质， 感知和传输外界被测信号的新型传感技术。 而作为被测量信号载体的 光波和作为光波传播媒质的 波导材料则具有一系列独特的、 其他载体和媒质难以 相比的 优点。 光波不产生电磁干扰， 也不怕电 磁千扰， 易被各种光探测器接收和 检测到， 可方便地进行光电或电光转换， 易与高度发展的现代电子装置和计算机 相匹配。 其中光学薄膜传感技术越来越引起国内 外研究人员的重视， 并且在生化、 生命科学、食品检测、环保等领域获得了 广泛的 应用。1 9 6 8年， 德国物理学者 o tt 。 提出了表面等离子波传感理论， 当 入射光的 波长与表面等离子体波的固有共 振波长相同时， 就会产生表面等离子共振 ( s u r f a c e p l a s m a r e s o n a n c e ) 效应， 并 设 计出 第一 个s p r 传感系统ii . s p r 是一 种物理 光学 现象。 表面等离 子 体 ( s p ) 是沿着金属和电介质间的界面传播的电磁波形成的，形成 s p r的必要条件之一 是金属与电介质界面的存在。 当平行表面的偏振光以称之为表面等离子角的入射 角照在界面上发生全反射时， 入射光被祸合入表面等离子体内， 在这个角度由于 表面等离子体谐振将引起界面反射率显著减少。 s p r对附着在金属表面的电介质 的折射率非常敏感， 而折射率是所有材料的固有特征。因此， 任何附着在金属表 面上的电介质均可被检测， 不同电介质其表面等离子角不同; 而同一种材料， 附 着在金属表面的量不同，则s p r的响应强度不同. 根据上述原理， s p r生物传 感器通常将己知的生物分子( 如单键d n a分子) 固定在几十纳米厚的金属( 金、 银 等) 膜表 面， 加 入与 其 互 补的目 标 生 物 分子 ( 如目 标d n a ) ， 两 者结 合 杂 交) 将使金属膜与溶液界面的折射率上升， 从而导致谐振角改变， 如果固定入射角度， 就能根据谐振角的改变程度对互补的目 标生物分子进行定量检测。 本文所探讨的 多层s p r生物传感器也是利用表面等离子共振 ( s p r ) 效应的一种传感技术， 全 p i a多层s p r生物传感器的 制备与实孩研究 部的实验过程主要分了 三个步骤: 第一部分主要是多 层膜结构的实验研究部分， 在这一 部分里我们主要是利用p l d( 脉冲激光沉积) 技术来制备多 层s p r生物 传感器所必备的组成部分一多层膜结构以 及其光学特性的理论分析，主要采用 x r d 分 析 仪 和s e m技 术 来 分 析 薄 膜的 结晶 质 盆， 然 后 通过 所 得的 实 验数 据 具 体 分 析了 沉 积 温度 对薄 膜 结晶 情况的 影响; 第 二 部 分 主 要是 薄 膜 厚 度 及 其折 射 率测 i的实 脸研究，主要是利用m线法和数值计算的方法相结合，测量出薄膜的厚 度 和 折射 率， 从 而 得 到 设 计多 层s p r生 物 传 感 器 所 需 的 多 层 膜结 构的 最 优化 参 数: 第三部分主要是多 层 s p r生物传感器的理论分析和实验研究， 通过理论和 实验数据分析以 及与 单层s p r生物传感器的对比，得到多 层s p r生物传感器的 应用特点和优势. p i d多 层s p r 生 物传感器的 制备与实验研究 第2 章利用p l d 技术生长薄膜的实骏研究 2 . 1引言 自 七十年代以来， 半导体工业高速发展， 硅作为第一代半导体材料几乎全面 取代了 锗， 成为当 代半导体工业技术的主导材料; 同时 m- v 族化合物半导体材料 的研究与开发也取得了重大的进展， 其中主要表现为g a a s . g a p 等半导体材料已 充 分的 应用 在 徽电 子 器 件、 发 光 二 极 管 尽 卫 功、 渔 光二 橄光 ( l d ) 以 及 长 波 长 光通 信领域， 并实现了 商品 化的转变，而g a n 半导体材料的商业应用研究也始于1 9 7 0 年， 其在高频和高温条件下能够激发蓝光的独特性质从一开始就吸引了半导体开 发人员的极大兴趣。但是g a n 的生长技术和器件制造工艺直到近几年才取得了商 业应用的实质性突破。 其主要的原因是: ( 1 ) 由于不能生长较大的块状g a n 单晶， 所以在异质外延g a n 过程中， 缺乏在晶格常数和热膨胀系数上与g a n 相匹配衬底材 料; ( 2 )不能获得具有较高空穴浓度的p - g a n 材料: 经过长期的努力探索， 到8 0 年代末， 研究者通过在利用异质衬底( 如s i c . a 12 0 3 等) 上先生长一层过渡层的 方 法，获得了 较低缺陷密度的外延衬底。与此同时， 研究人员利用低能电 子辐射 rt e e r ry k 理 技 术， 得到了 满 足器 件 应 用 需 要的 p 型 g a n 。 继 g a n ;b 件技 术 取 得 进 展后， 在g a n 蓝光器件的应用方面首先取得了重大的发展阶段: 1 9 9 2 年，日 本日 亚 公 司 侧i c h a ) 研制 成 功当 时 最 亮的 双 异 质 结 蓝 色 发 光二 极 管 ( l e d ) ， 发 光 强 度是 l c d ， 约为 s i c 蓝色l e d 的1 0 0 倍; 1 9 9 5 年，日 亚公司制成了效率更高、 更亮的 单 量 子阱 蓝 色 和绿 色 l e d ， 其 发 光 强 度分 别为 2 1 5 c d 和1 2 c d i 1 9 9 6 年， 室 温下 工 作的 g a n 蓝 紫 色 徽 光二 极 管 ( l d ) 问 世， 波 长为 4 1 7 n m ， 这是 迄 今为 止由 半 导 体 激 光器发射的、 最短波长的室温下受激发射。 这一系列成就使人们有理由 相信， g a n 材料系列是继s i 和g a a s 材料系列之后， 又一种能对高技术领域产生重要影响的 半导体材料。 制作性能优异的器件要求沉积在特定的 衬底材料或预埋层上的 高质且薄膜 材料.目 前，制备g a n 薄膜方法主要有反应溅射( r s ) h w a n g . 2 0 0 幻，分子束外 39 ( m b e ) m t o k o c . 2 0 0 1 1 ， 化学 气 相 沉 积( p e c v d ) s a n c h e z - l o p e z . 1 9 9 8 和 金 属 有 机 化学 气 相 沉积( m o c v d ) h a g e m a n . 2 0 0 1 ) 等 技术， 也 有 报 道 用 脉 冲 激 光 沉 积的方法( p l d ) 制备a i n 薄膜 s u d h i r , 1 9 9 8 v e r a r d i . 1 9 9 7 1 . 制备g a n 薄膜一般采 用金属有机化学气相沉积( mo c v d ) y u , 1 9 9 8 1 、 分子束外( m b e ) l e i , 1 9 9 1 、 外延生长( 1 e o ) z h e l e v a , 1 9 9 9 等方法。虽然用这些方法己经能够制备出质量 较好的g a n 薄膜，但是都要求在较高的温度下进行。然而长时间的高温将会对衬 底或预埋层造成热损伤。 探索薄膜的低温制备是近年的研究热点之一， 包括工艺 和其中的机理研究。 p l d多层s p r生物传感器的 制备与实验研究 2 . 2典型的光波导材料与制作技术 可以用于制作光波导的 材料种类非常多， 它们需要采取不同的制作技术。 表 2 . 1 汇总了典型的光波导材料以 及用它们制作波导的方法。这些制作方法可以分 为: 在衬底的表面上沉积折射率比 衬底折射率略高的薄膜材料的 沉积法， 往衬底 表层掺入以形成高 折射率层的离子交换法、 热扩散法、 离子注入法以 及在衬底晶 体的表面生长与衬底材料不同晶体的外延法等。 这些制作方法差别很大， 对任何 一种方法的介绍都不能代表其他方法的介绍， 一般来说， 材料与制作方法的 选择 可以 遵循以下的原则: ( 1 ) 波导层厚度和折射率的误差都要小，而且均匀; ( 2 ) 传物损耗小， 通常应在l d b f c m以 下，也就是说， 光学透明 度好，表面凹凸 小，光学散射少; 3 ) 在晶 体的情况下， 纯度和光轴应符合要求; ( 4 ) 强度大，与衬底附 着性好; 5 ) 工艺重复性好; 、 火 商 分子 化合物 玻瑞旅.份 化含物 u翻 刃， ut 曰. 石口 t ， 0 ， 址曰 s ilw l t i 6 沉 积 法 晚拍甩铆法了 窝空鹅发翻 口 1 翻加7了 j了 化ff ft 叻如璐始7了 了 滚合7 幼扩俄 7 离子交幼法 77 离子注入法 , 1 外 菇 琅相外菇 了 了 气相外延 寻 表 2 . l光波导的制作技术与材料 旋转 甩 涂法 ( s p in c o a ti n g ) 与 浸 溃 涂 敷 法 ( d ip c o a t i n g )这 两 种方 法 都是 往衬底上涂敷光致抗蚀剂等高分子电介质薄膜的方法。 旋转甩涂法是将高分子材 料溶于溶剂做成薪稠的 液体， 把少量的 液滴滴在衬底上， 通过衬底的高速旋转， 而得到薄膜的方法。 浸渍涂敷也是将高分子材料溶于溶剂做成翁稠的液体， 把衬 底浸入 这种溶液中， 然后将 衬底提起， 从而在衬底表附 着一 层薄 膜的 方法。 为了 增加这两种膜在衬底上的附着度，需要将它们放入适当温度的烘箱中进行热处 理。 这两种波导制作方法工艺最简单， 成本也最低， 但是， 薄膜的纯度和均匀性 p 1 d多层s p r生 物传感器的制备与实验研究 比较低。 加热燕发法 ( t h e r m a l v a p o r d e p o s iti o n ) 加热蒸发沉积法是在高 真空 (1x10-pa以 下) 状态下， 燕发材料加 热使 之蒸发， 蒸汽分 子到 衬底的 表 面沉 积 下来形成薄膜的一种方法。 随着蒸发的材料不同， 加热方法也不同。 通常， 低熔 点的材料采用电阻蒸发法， 高熔点的材料采用电 子束加热燕发法。 为了提高膜层 在衬底上的附着性，往往用另外的加热器将衬底加热到2 0 0 左右。膜层的厚度 取决于燕发浑与衬底之间的 距离以 及熬发时间的长短.为了得到均匀的膜层厚 度， 需要适当 减小沉积速率和增加蒸发源到衬底的 距离。 沉积速率一般都很快， 在 用金 属 作电 极的 情况 下， 速 率一 般 为 。 . 5 - 5 p m / m in i ( 2 ) d 为 扩散 常 数， 若寿 n , n . ， 而 且 波 导 层的 厚 度 t 必 须 大 于 某 个 特 定 值。 在图 4 . 1 ( a ) 的 结 构中 光只有在x 方向 是 封闭 的， 因 此被 称为二 维光 波导 ( 2 - d o p t i c a l w a v e g u i d e ) ， 或 者 平 板型 光 波导 ( s l a b o p t ic a l w a v e g u i d e ) 。 在 这 种 结 构中， 按 照 折 射率 沿x 方向 的变化进行分类， 又可以 将它分划分为: ( 1 ) 折射率呈阶梯状变化的折射率突变 型光波导 ( s t e p - in d e x w a v e g u i d e ) ( 如图 4 . 1 ( b ) ) ; ( 2 ) 折射率慢慢 变化折射率 渐变型光波导 ( g r a d e d - i n d e x w a v e g u i d e ) ( 如图 4 . 1 ( c ) ) 。在本论文当中主要采 用的是平板型光波导。 p l d多 层s p r生物传感器的 制备与实验研究 第4 章光学薄膜的厚度和折射率的测i t 4 . 1介质平板波导基础理论 集成 光 路 ( o p t ic a l i n t e g r a t e d c i r c u it s ) 是 指 在同 一 块衬 底的 表面上， 用 折 射 率略高的材料制作成光波导， 并以此为基础再集成作为光源的激光二极管， 以及 开关、 调制器等有源器件、 光二极管检测器等， 所构成的具有整体功能的光学通 路。 通过集成化， 实现了 光学系统的小型化、 轻量化、 稳定化、 高性能化的目 的。 如果从材料结构的角度对现有的集成光路进行分类， 大致上可分为混合型集成光 路、单片型集成光路以 及介于二者之间的准混合型 ( 或者准单片型) 集成光路。 如果将构成上述集成光路的三种基本器件， 也就是光源、 含有各种有源器件的光 波导以 及光检测器件， 都制作在与这三者相同的材料的衬底上， 所构成的 集成光 路 称为 单 片 集 成光 路( m o n o li t h i c o p t ic a l i c ) ， 单 片 集 成 光 路的 衬 底 材 料是 g a a s , i n p 系列的化合物半导体。 如果构成集成光路的三种荃本器件的材料各不相同， 而且它们与衬底材料也不相同的集成光路，称为混合集成光路 ( h y b ri d o p t i c a l i c ) 。 例如， 在混合集成光路中， 光源采用化合物半导体， 光波导采用玻璃和锯 酸铿 ( l i n b 伪) 之类的介质材料，而光检测器件则采用硅材料制作，并将它们 组 合 在 一 起. 而 在 准 混 合匆 u a s i - h y b ri d ) 集 成 光 路， 或 者 准 单 片( q u a s i - m o n o li th ic ) 集成电 路光路中， 则是光源采用与前面相同的化合物半导体材料， 光波导的衬底 以 及光检测器件都是采用硅材料制作的. 准混合型集成电路光路是在混合集成光 路的基础上， 往单片集成光路的方向迈了一大步。 在这种场合下， 它是将硅的表 面经加热氧化形成s i 0 提 ， 再在s i o 2 层的 表面上镀制介质层构成光波导。 也就是 说，准棍合集成光路与混合集成光路一样，它们的波导采用的都是介质波导。 在以玻璃为代表的 透明介质衬底的表面上， 附着上折射率比 衬底略高、 厚度 可以 与 光 波长 相比 较的 薄 膜， 光 就会 被 封闭 于 这 种高 折射 率的 薄膜 层内 构 成 波 导。结构最简单、 最基本的光波导的结构如图 4 . 1 ( a ) 所示。 其中， 衬底、 波导 层 及 其 上 部 包 层 的 折 射 率 分 别 为 : n , , n , , n . 为 了 能 够 实 现 光 波 导 ， 必 须 o f n , n . ， 而 且 波 导 层的 厚 度 t 必 须 大 于 某 个 特 定 值。 在图 4 . 1 ( a ) 的 结 构中 光只有在x 方向 是 封闭 的， 因 此被 称为二 维光 波导 ( 2 - d o p t i c a l w a v e g u i d e ) ， 或 者 平 板型 光 波导 ( s l a b o p t ic a l w a v e g u i d e ) 。 在 这 种 结 构中， 按 照 折 射率 沿x 方向 的变化进行分类， 又可以 将它分划分为: ( 1 ) 折射率呈阶梯状变化的折射率突变 型光波导 ( s t e p - in d e x w a v e g u i d e ) ( 如图 4 . 1 ( b ) ) ; ( 2 ) 折射率慢慢 变化折射率 渐变型光波导 ( g r a d e d - i n d e x w a v e g u i d e ) ( 如图 4 . 1 ( c ) ) 。在本论文当中主要采 用的是平板型光波导。 p i d多层s p r生物传感器的制备与实验研究 生甲专1 ( a )光波导的基本结构图( b ) 折射率突变型( c ) 折射率渐变型 图 4 . 1平析波导光学模型 光波导的 各种特性都可以以 波动方程为基础推导出 来. 首先用几何光学的概 念来理解一下光波导层中的传输方式. 在图4 . 1 ( a ) 所示的最基本的折射率突变 型二维平板波导中， 如果相对于波导层内的界面以角度0 入射一束光. 这时， 波 导上下界面的临界角分别为: b = a r c s ir r( n , 1 n f ) ( 4 . 1 ) e 一 a r c s in ( n , 加 ，)“ . 2 ) 在 通常 情况 下， 由 于n , n . ， 从 而 可以 得出 b , b 。 在( 1 ) 0 , 0 9 0 , ( 2 ) 氏 0 氏 ， ( 3 ) b 氏 三 种 不 同 的 场 合 下， 光 波 的 传 输 方 式 如 图 4 . 2 所 示。 当 9 , b 9 0 时 ， 光 在 波 导 层 的 上 下 界 面 之 间 不 断 地 发 生 全 反 射 ， 光 波 被 限 制 在 波导层内，以锯齿形光路传输 ( 参见图 4 . l a ) 。 在无损耗条件的情况下， 光波能 量将无衰减地以 封闭于波导层中的形式传输。光波的这种传输方式称为导模 ( g u i d e d m o d e ) ， 导 模 在 集成 光路 中 的 作 用 最为 重 要。 当 风 b 6 , 时， 如图 4 . 2 ( b ) 所示， 光波在波导层与上部包层的界面上发生全反射， 但是有部分光波能 量被泄 漏进衬底。 光波这时的 传输方式称为衬底辐射模 ( s u b s t r a te r a d ia ti o n m o d e ) . 当 a 0 , ， 如图 4 . 2 c 所 示 ， 光 波 能 里 在 上 下 两 个 界 面 都 会 发 生 泄 漏， 称 为衬底包辐射模 ( s u b s t r a t e - c l a d r a d i a t i o n m o d e。 对应于入射角0 ，可以根据光 波在波导层中的传输状态将传输模式进行分类。 并且用凡何光学的方法就能够讨 论导模的传输特性i l l 凡n，气 ( a ) 导模 ( 伏 9 9 0 ) p i d多层s p r生物传感器的 制备与实验研究 ( b )衬 底 辐 射 模 ( b 口 氏) 飞n，气 ( c )包 层 衬 底 辐 射 模( 9 n , 的 条 件时， 则 会在 棱 镜的 底 部发 生 全反 射; 而 在折 射 率 为n , 的 介 质中 也 会以 逐 渐衰 减 波的 形 式 产生 部分 渗 透。 因此， 在图4 . 4 的结构中， 如果调整角度b ， 使得导模的传输常数等于式( 4 . 2 9 ) 给出 的p 值时， 到 达 波导 层的 衰减 波 将 会与 导 模 之间 产 生 相 位匹 配， 造 成分 布 祸 合 ， 由 此 而 激 励 起导 波 光。 这 时 入 射 光 束 的 功 率 会向 导 波 功 率 转 移， 所以 这 时 的 棱 镜 底 面 反 射 就 不 再 是 全 反 射. 由 于 导 模的 传 输 常 数 被限 制 在n n , n , )，在 棱 镜 区( 二 b )，入 射 光 束 和 全 反 射 光束相互亚加形成沿x 方向的驻披; 在棱镜底下面的区域 ( x b ) ，是场振幅沿 x 方向 指数衰减的消失场。 把棱镜中 及底面附近的 场分布称为梭镜模。 若棱镜与 波导相距很远， 则棱镜与波导中的导模不会发生相互作用， 但当 棱镜与波导相互 接近， 因 而棱镜模与导模产生祸合， 当 棱镜中有输入光束时， 通过棱镜模与导模 的藕合，把能盘转移到波导中的导模，即输入祸合。当棱镜中没有输入光束时， 导模与棱镜模之间祸合把能童弓 ! 出波导， 即输出祸合。 由于棱镜模是连续谱， 所 以 可把它视作棱镜一波导系统的辐射模， 因此， 棱镜祸合输入和输出 的问 题可作 为导模与辐射模之间的辐合问题，采用理想波导模式揭合幅度方程来分析。 通 过( 4 . 1 3 ) 式可以 知 道， 要 得 到夕 的 取 值 就 必 须 对 有效 折 射率 进 行 测 量， 假若采用一对完全相同的直角棱镜或是一个对称的棱镜作为波导输入和输出 祸 合 棱 镜 折 射 率 。 ， 和 底 角 ; 都 是 可 知 的 ， 且 n , 二 1 i 如 图 4 . 6 所 示 ， 入 射 光 束 在 棱 镜斜面上的入射角为砂 ，由 折射定律可得: s in = n . s in ( 6 y 一 ) ( 4 . 3 0 ) 棱 镜 模 和 导 模 的 相 位 匹 配 条 件( a m 二 a , ) 可 写 成: n , s i n 伏二 n , s i n 0 , ( 4 . 3 1 ) 将 ( 4 . 3 1 )式代入到 ( 4 . 3 0 )式，并利用三角关系整理可得: p 切 多 层s p a 生 物 传 感 鑫 的 制 与 卖 验 研 究 / k o - n 1 s in b l 一 s in 0 c o s : 十 (n 广 一 s in , 砂 严s in e ( 4 . 3 2 ) 其 中 0 1 满 足 相 位 匹 配 条 件 ， 称 为 同 步 角 ， 与 同 步 角 b p 相 应 的 入 射 角 0 则 称 为 祸 合 角 ， 0 1 为 入 射 光 线 在 棱 镜 侧 面 上 的 入 射 角 。 一 个 同 步 角 气 对 应 于 一 个 确 定 的 导 模凡， 所以 一 个 祸 合角0就 对 应了 一 个 确 定的 导 模 有效 折 射 率n t . 于 是 有 效 折 射 率的 测 量问 题就 可 转 化为 如 何 测量 祸 合 角0 的问 题。 利 用图 4 . 7 所示 系统， 将一个对称棱镜用夹具压在待测波导的 表面上，并将置于带有z - y 微动平台的 测角仪分度盘的中心处。 利用偏振片选择入射光的模式 ( t e 或t m模) ，适当调 节入射光束在棱镜上的位置， 改变入射角， 并调节棱镜与波导之间的间隙， 在输 入棱镜后面的观察屏上便可见到一系列近乎平行的亮线，称之为m 一 线。这是由 于祸合到一个导模的光能因波导表面不规则而散射给其它导模造成的。 不同阶导 模在棱镜中的出射角不同，因此在观察屏上的每一条亮线对应一个确定的导模。 少490 xyz lki bblp fit 图4 . 7用棱 镜祸 合法 激励波导 光的 实 验装 置 即 使以 一 个 确定 的 藕 合角 位置， 读出 此时 的 角 度。 . ， 再 转动 分 度盘 使 激 光 束 垂 直 入 射 到 棱 镜 斜 面 上 时 读出 角 度(b , ， 则m 阶 导 棋 的 祸 合 角 为: 么. 心 一 电( 4 . 3 3 ) 将 “ . 3 3 ) 式 代 入到 ( 4 . 3 2 ) 便可 求 得 第m 阶 模 下的 有 效 折 射 率气， 然后 通 过 解方程 ( 4 . 1 4 ) . ( 4 . 1 5 ) . ( 4 . 1 6 ) 得出薄膜的折射率和厚度。 在实际的测量过程 中，采用的是图4 . 7 所示的结构激励波导光，并测量角度b 。在采用透镜祸合的 情况下， 应当使用焦距充分长的透镜: 在有用棱镜祸合的情况下， 应当尽可能 地 减弱祸合强度， 进行波导 光的检测。 在可见光 一近红外的波长范围内， 光束宽度 取为l m m 左右， 通过工作台的适当旋转， 用感光器件测量输出光的强度， 如果能 找到光强度为最大值的点， 就能够以不超过r 的误差测量出角度b e 测量角度。 的 基准点， 可以通过使棱镜斜面的反射光或者波导面的反射光与入射光平行， 也就 是使棱镜斜面或者波导的表面与入射光垂直的方法， 以 相同的精度确定下来。 在 使用棱镜的 情况 下， 确定 基准点时容易 产生 误差。 但是如果 使用由 分光 器和 针孔 组成的自 动准直仪， 则可以用最小偏角法进行测量。 为了能够将光束的入射角调 整到。 的位置， 必须将波导和棱镜固定在旋转工作台 卜 。 在棱镜的出射端用探测 p l l ) 多层s p 珠 生物待感器的制备与实验研究 器测量出 射光强随砂 角的 变 化函 数， 探测到的 光强 信号电 压一 般为几个毫伏， 将 这个信号经模拟放大电 路放大， 再通过a / d 转换成数字信号进行分析， 数据经计 算机分析之后能 直接得出 棱 镜的 辐合角 矛 。 通过出 射光的 强弱 来判断是 否在薄 膜 中 激发了导棋， 不同 阶模在棱镜中的出 射角不同， 因 此第一阶导模对应于一个祸 合 角 ， 然后 根 据 粗 合 条 件: 尹 - k n , s i n 风 ， 就 可以 求 得 沿: 方 向 的 传 播 常 数尹 。 4 , 2 . 4实 脸 橄据友 诊果分 析 本实验中 采用的 平板波导是由 在一 玻璃 板( s i ws i ) 上沉积一 层z n 0 薄 膜组 成， 光 源 所 采 用的 是 1 .0 6 o m 的 n d : y a g 徽 光 波长， 衬 底 和理 盖 层的 折 射率 分 别 为: 1 . 5 0 4 和1 .0 0 0 ， 通过实验得到的数据如表3 所示， 然后将实验数据代入到方程 ( 4 . 2 9 ) 得 到 传 输常 数夕 ， 从 而 得 到 方 程 组的 特征 值 ， 代 入 到 方 程 组 中 ， 如 果 取 0 , 1 两 种模式数值代入到方 程组“. 1 5 ) ， 然 后通过 计算机软 件编程求 解方程组， 就可得到此平板波导的折射率和厚度， 通过以上实验可测得薄膜光波导的 折射率 和厚度分别为 2 .2 9 0 和1 . 4 9 5 u m， 为了 使测盘值得到更高的 精度、 在 计算过程当 中可以 通过采用不同的导模代入到方程中 求得折射率和厚度， 然后通过取平均值 的方 法使得实验结果更接近子 真实 值; 其数值如表 3 所示， 在侧得折射 率和厚 度 的情况下，代入到下式中: a o x 试- q . x ) e . ( c *k x ) 一 ( qj k) s i n ( k x ) 卜( q/*.) s i n ( k d ) r ix p p( x + d ) 0 x+ - 一 hx0 一0 0 x- h 然 后 通 过 归 一 化 处 理 ， 便 可 得 到 不 同 阶 模( 0 , 1 , 2 , 3 ) 光 场 在 波 导 中 的 分 布 情 况，其中m 代表的是模的阶数。 表 3实验所侧得的实验数据 模序有效折射率入射角 渡) 02 . 2 3 6 8 1 . 4 12 . 2 0 1 7 4 . 0 22 . 0 8 56 5 . 6 31 . 9 1 45 6 . 8 41 . 6 8 5 4 7 . 6 4 . 3本章小结 介质薄膜材料是当前信息材料的研究热点， 一种优质的介质薄膜的制备离不 开对其厚度、折射率的测量， 这章所研究的内 容主要是根据m - l i n e 法的原理， 通 过棱镜祸合的方法， 对实际的介质薄膜材料进行了实验测试， 得到了令人满意的 结果，所得的实验数据与理论计算符合较好。 p l l ) 多层s p 珠 生物待感器的制备与实验研究 器测量出 射光强随砂 角的 变 化函 数， 探测到的 光强 信号电 压一 般为几个毫伏， 将 这个信号经模拟放大电 路放大， 再通过a / d 转换成数字信号进行分析， 数据经计 算机分析之后能 直接得出 棱 镜的 辐合角 矛 。 通过出 射光的 强弱 来判断是 否在薄 膜 中 激发了导棋， 不同 阶模在棱镜中的出 射角不同， 因 此第一阶导模对应于一个祸 合 角 ， 然后 根 据 粗 合 条 件: 尹 - k n , s i n 风 ， 就 可以 求 得 沿: 方 向 的 传 播 常 数尹 。 4 , 2 . 4实 脸 橄据友 诊果分 析 本实验中 采用的 平板波导是由 在一 玻璃 板( s i ws i ) 上沉积一 层z n 0 薄 膜组 成， 光 源 所 采 用的 是 1 .0 6 o m 的 n d : y a g 徽 光 波长， 衬 底 和理 盖 层的 折 射率 分 别 为: 1 . 5 0 4 和1 .0 0 0 ， 通过实验得到的数据如表3 所示， 然后将实验数据代入到方程 ( 4 . 2 9 ) 得 到 传 输常 数夕 ， 从 而 得 到 方 程 组的 特征 值 ， 代 入 到 方 程 组 中 ， 如 果 取 0 , 1 两 种模式数值代入到方 程组“. 1 5 ) ， 然 后通过 计算机软 件编程求 解方程组， 就可得到此平板波导的折射率和厚度， 通过以上实验可测得薄膜光波导的 折射率 和厚度分别为 2 .2 9 0 和1 . 4 9 5 u m， 为了 使测盘值得到更高的 精度、 在 计算过程当 中可以 通过采用不同的导模代入到方程中 求得折射率和厚度， 然后通过取平均值 的方 法使得实验结果更接近子 真实 值; 其数值如表 3 所示， 在侧得折射 率和厚 度 的情况下，代入到下式中: a o x 试- q . x ) e . ( c *k x ) 一 ( qj k) s i n ( k x ) 卜( q/*.) s i n ( k d ) r ix p p( x + d ) 0 x+ - 一 hx0 一0 0 0 由边界条件可得: 嵘 e aor e uo ,t ou ( 5 . 9 ) ( 5 . 1 0 ) 至丝. - 0a , ( 5 . 1 1 ) 2 ( 田 )a s ( a , + a , 风 一 0 ( 5 . 1 2 ) 由此可以得到以下三个结论: ( 1 ) 由 于 a , 和 a s 都 是 正 实 数 ， 由( 5 . 9 ) 和( 5 . 1 2 ) 式 可 知 : 嵘 此 一 0 . 所 以由 此可以 得出 表面等离子波一定是t m 波。 t 2 ) 通过 ( 5 . 1 1 式可以知道，表面等离子波只能存在于界面两侧的介电常数 符号相反的情况。 t 3 通过 ( 5 . 7 ) 和 5 . 1 1 式可得到表面等离子波的色散关系为: c zpz . e ,( + ) e z ( 。 ， 1 ( 叻+ 2 ( 。 ) 若 设e , ( 叻 0 , e , ( 劝 d 人e x p ( a ,x ) + b , e x p ( - a , x ) 0 x d 人e x p ( a , x ) x d 人e x p ( a ,x ) + b , e x p ( - a , x ) 0 x d 人e x p ( a , x ) x d + s 一 d ) + b 2 e x p - a 2 ( x 一 d ) d x d + s + 几e x p ( - a x ) 0 x d x0 式 中 : a r - ( p 2 - k o 2 e r 严 0 一 0 , 1 , 2 , 3 ) ; 9 一 k o 祝s in 6 ， 边界x - 0 , x - d ，x - d 十 s 处 连 续的 条 件， 可 得: b 3 风 - ( e o a ， 一 e ,a o ) l ( e o a , + e ,a o ) 然 后 利 用 h i, 和 h y 1 : 在 ( 5 . 1 7 ) ( e , a 2 + 62a,) e x p ( 2 a ,d ) + 帆风x e ia 2 一 e 2 a i ) ( 5 . 1 8 ) - (82a3 - e 3 a 2 ) 0 *2 a 2 s ) + (b 2 / a 2 x e 2 a 3 + e lc业 ( e 2 a 3 + e 3 a 2 ) e x p ( 2 a 2 s ) + ( b 2 / a 2 ) ( e 2 a 3 一 e 3 a 2 ) ( 5 . 1 9 ) 几一凡 将式 ( 5 . 1 7 ) , ( 5 . 1 8 ) 代入到 ( 5 . 1 9 ) 就可得到类似于式 ( 5 . 1 6 ) 所示的反射率 公式 ( 5 . 2 0 ) : ( e 2 a 3 + e 3 a 2 ) e x p ( 2 a 2 s ) + ( b 2 / a 2 ) ( e 2 a 3 一 ， 3 a 2 ) ( 5 . 2 0 ) . r 在此实 验中 采 用的 有关参数为 :气 - 2 .8 2 4 , e 2 - - 1 6 .4 十 0 .5 4 1 , 6 3 - 2 .2 9 5 , a - 6 3 2 .8 n m , s - 4 4 n m , d - 5 4 0 n m，同样在这里所采用的被检测物分别为: 纯 水 和 被 污 染 的 水， 其 介电 常 数 分 别 为 : e , - 1 .7 7 和端- 1 .7 7 十 0 .0 0 5 1 ， 其 反 射 率曲 线为图5 . 5 ( 样品为纯水) 和图5 . 6 ( 样品是被污染的水) 所示，