（光学专业论文）掺铕聚合物光电子材料的近场光学特性研究.pdf

! ! 竺壁型堕垒竺苎! 竺查_ 竺堡二一 摘要 本论文由两部分组成：第1 部分，铕掺杂聚合物光纤及波导特性的近场光学 特性研究，用于指导研制聚合物光纤或波导激光器和放大器；第1 i 部分，梯度 折射率( g r i n ) 聚合物光纤透镜的特性研究，探索梯折材料的新测量方法，这 对拓展g r i n 材料的应用领域，具有重要的指导意义。 第1 部分研究内容和结果有以下三个方面： 一、用近场光学方法结合光谱分析法对我校自行研制的辛酸铕与m m a 单体 聚合所形成的铕掺杂聚合物光纤材料进行研究，给出4 0 0 p p m 、8 0 0 p p m 、1 0 0 0 p p m 三种不同掺杂浓度光谱分析结果和近场扫描光学显微镜的实验结果，两者符合良 好，得到在掺杂浓度大于8 0 0 p p m 时该种材料中会有团簇存在，团簇会引起荧光 的衰减和猝灭的结论，这直接影响了放大器或激光器的增益性能。 二、用近场光学方法研究该种材料中团簇的色散和吸收。首先用表征均匀掺 杂介质介电常数的e m a ( 有效介质近似) 理论和表征团簇介电常数的d e m a ( 微 分有效介质近似) 理论对有团簇存在的铕掺杂聚合物光纤材料进行了理论分析， 分别给出了均匀掺杂和有团簇存在时的色散和吸收理论曲线，得出团簇的色散和 吸收都远远大于均匀掺杂介质材料的结论，并用近场光学实验结果证明了此结 论。 三、用近场光学方法研究铕的鳌合物与聚合物单体聚合所形成的铕掺杂聚合 物光波导材料的特性和表面结构，给出此种材料的最佳成膜条件和近场荧光特 性。用近场光学方法结合m 线法给出不同成膜条件下( 包括有机聚合物基质材 料、有机溶剂和甩膜速度及甩膜时间等情况下) ，波导的表面结构和波导参数， 通过比较发现：匀胶机转速i 为5 2 0 7 0 0 转分，匀胶时间i 为6 秒，转速i i 为 1 4 0 0 一2 0 0 0 转分，匀胶时间i i 为3 0 秒；溶解聚合物材料的有机溶剂为环戊酮 时；成膜最好，而且膜的厚度随溶液浓度增大而变厚。并用近场光学方法给出 1 0 0 0 0 p p m 铕掺杂聚合物片状材料和薄膜的近场荧光强度分布，这为判断此种材 料做波导激光器或放大器的可能性提供了依据。 第1 i 部分研究内容和结果有以下三个方面： 一、梯度折射率( 0 r i n ) 材料的成像特性研究。我们研究了单根石英和聚 ! ! ! 塑竺! 兰堂塑 一一一苎竖，_ 一 合物g l u n 透镜的成像特性以及聚合物g r j n 透镜阵列的成像特性，并用成像方 法通过不同成像位置物距和放大率倒数的线性拟合，测量出g r j n 透镜的折射率 分布曲线，得出中心折射率与厂家提供的折射率比较的误差为1 0 d ，多次测量结 果比较得测量精度也为1 0 一。 二、g r i n 材料的衍射特性研究。实验上首次观察到与圆孔衍射明显不同的 o r i n 透镜的衍射现象，给出这种中间密边缘疏衍射图样的简单的物理模型，并 用标量衍射理论和矩阵光学方法研究了2 7 9 m m 长g r i n 透镜的衍射现象，用线 阵c c d 测出g r i n 透镜出射端面后4 0 0 m m 处的径向衍射强度分布，与理论结果 取得很好的一致。最后我们理论分析了透镜孔径所产生的渐晕效应，得到了与普 通厚透镜一致的结论。 三、g r i n 材料的波前变换特性研究。通过研究高斯光束在g r i n 材料中传输 时的光斑尺寸的变化，得到了一些有意义、有应用价值的结果：椭圆芯的光纤或 透镜，可将椭圆光斑变换为圆形光斑或反变换，这种变换可解决光纤和有椭圆场 的功能器件( 如平面波导，半导体激光器) 的低损耗耦合问题。文中对长短轴之 比为2 ：1 、3 ：1 、4 ：1 和5 ：l 的椭圆光斑的高斯光束变换为1 ：1 圆形高斯光束所 需的梯度折射率材料进行了理论计算，给出了所需g 刚f n 材料的截面折射率分布 图，以及椭圆长短轴光斑尺寸随g r j n 透镜长度变化的关系。 关键词：铕掺杂，聚合物光纤，团簇，色散，吸收，近场光学，近场光学显微 镜，g l u n 材料，折射率分布，衍射，矩阵光学 ! ! 兰苎查竺! 查竺竺竺查 些! ! 塑 a b s t r a c t t h em e s i si n c l u d e st 、v op a n s ：p a ni i n v e s t i g a t i o no nt 1 1 en e a r f i e l d o p t i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fe ud o p e dp o l y m e ro p t i c a lf i b e r s ( p o f ) a n d w a v e g u i d e ，a n dp a r ti i s t u d y o ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fg r a d i e n t i n d e x ( g r i n ) p 0 1 y m e ro p t i c a lf i b e rl e n s t h ec o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n so fp a r tia r ea sf o l l o w s 1 t h en e a r f i e l d o p t i c a lp r o p e r t i e s o fe ud o p e dp o fc o m p o s e do f p o l y m e r i z a t i o no fe u ( c 7 h 1 5 c o o ) 3a n dm m a h a v eb e e ns t u d i e db y u s j n gs p e c t n m la n a l y s i s t h en e a r f i e 】do p t j c a 】e x p e r i m e n t a lr e s u l t s a n d s p e c t m mr e s u l t s o f d o p e d p o fw i t h 4 0 0 p p m ，8 0 0 p p m a n d l0 0 0 p p mc o n c e n t m t i o na r eg i v e no u ta n dt h ea g r e e m e n ti so b t a i n e d t h a tc l u s t e r s b e g i n t oe x i s ti nt h em a t e r i a l sw i t h 8 0 0 p p md o p e d c o n c e n t r a t i o n c l u s t e r sw i p r o d u c et h eq u e n c h i n ga n da t t e n u a t i o no f f l u o r e s c e n c ei n t e n s i t y t h i sw 订li n n u e n c eo nt h eg a i no fl a s e ra n d a m p l i f i e r 2 t h ec h r o n l a t i cd i s p e r s i o na n da b s o r p t i o no fc l u s t e r si ne u d o p e dp o f h a v eb e e n i n v e s t i g a t e db yu s i n g n e a r f i e l d o p t i c s t h ed i e l e c t r i c f u n c t i o no fh o m o g e n e o u s d o p i n ga n d c l u s t e r si np o fh a v eb e e n a n a l y z e dt h e o r e t i c a l l ya n dc h r o m a t i cd i s p e r s i o na n da b s o r p t i o nc u r v e h a sb e e n g i v e n t h ec o n c l u s i o n i so b t a i n e dt h a tt h ec h r o m a t i c d i s p e r s i o n a n da b s o r p t i o no fc l u s t e r sa r em u c hl a r g e rt h a nt h a to f h o m o g e n e o u s l yd o p e dm a t e r i a l s f u r t h e n n o r e ，t h ec o n c l u s i o ni sa l s o p r o v e nb y t h en e a r f i e l de x p e r i m e n t a lr e s u l t s 3 t h en e a r 丘e l d o p t i c a lp r 叩e n i e so fe ud 叩e dp 0 1 y m e rw a v e g u i d e m a t e r i a l sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e dt o p r o v i d et 1 1 e b e s tf i l m f o m l i n g c o n d i t i o n s t h ec o n d i t j o n sa r ea sf o 儿o w s ：1 ) r o t a t es p e e di o f r h i r l c o a t i n gm a c h i n e i s5 2 0 7 0 0 r p m ，r o t a t i n gt i m ei s6s e c o n d s ；r o t a t e ! ! 竺查竺! 圭竺苎兰查堕坠竺l s p e e d i ii s1 4 0 0 一2 0 0 0r p l m ，r o t a t i n gt i m ei s 3 0s e c o n d s - 2 ) 0 r g a n i 。 s o l v e n ti sc y c l o p e n t a n o n e 3 ) t h e l a r g e r s o l u t i o nd e n s 时i s ，t h e t 1 i c k e r t l ef i l m i s f u r t h e n i l o r e ， t h en e a r - f i e l d n u o r e s c e n c e o f 1 0 0 0 0 p p md o p e d m a t e r i a li sa l s oo b t a j n e d t h i sp r o v i d e sp r o o f f o r t h a tm i sk i n do f m a t e r i a l sc a nb eu s e d t of a b r i c a t el a s e ra n da m p l i f i e r t h ec o n t e m sa n dc o n c l u s i o n s o fp a ni ia r ea sf o l l o w s ， 1 i m a g i n g c h a r a c t e r i s t i c so fg r i nm a t e r i a l s i s i n v e s t i g a t e d t h e i m a g i n gp r o p e r t yo fs i n 9 1 e a n da r r a yg r i np 0 1 y m e r1 e n si s s t u d i e d a n dt h er e f r a c t i v ei n d e xd i s t r i b m i o na 1 1 dc h r o m a t i cd i s p e r s i o n c u r v e a r eo b t a i n e db y l i n e a rf l to fo b j e c t d i s t a n c ea n di n v e r s e o t m a g n i f i c a t i o ni nd i f 诧r e mi m a g i n g l o c a t i o n s 2 d i f f r a c t i o np m p e r t i e s o fg r l e n sh a v e b e e ns t u d i e d d i f f e r e n t d i f f r a c t i o np a 航e r nf r o mc h c u l a ra p e r m r eh a sb e e n o b s e r v e dm s t bi n t h ee x p e r i m e n t t h ep h y s i c a l m o d e lo fd i f 行a c t i o n i s g i v e n t h e t h e o r e t i c a lr e s u l t sa g r e ew i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s o f2 7 9 m m l o n 空w i t h2 m md i a m e t e rd i f f r a c t i o np a t t e m f u n h e r m o r e ，v i g n e t t i n g e f k c ti sa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l yb e c a u s eo f l i m i ta p e n u r e 3 w a v ef r o n tt r a n s f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fg r i nl e n sh a s b e e n s t u d i e d m a n yv a l u a b l er e s u l t s a r eg i v e nb ys t u d y i n gt h ec h a n g eo f s d o ts i z eo fg a u s s i a nb e a mi nr a d i a lg r i n l e n s t h eg r i nl e n sw i t h o v a lc o r ec a nt r a n s f o r me l l i p t i c a lf i e l d st h a th a v eh i g ha s p e c tr a t i o st o c i r c u l a rn e l d ，a n dv i c ev e r s 4 t h et r a n s f o 彻e rs h o w sp r o m i s ef o rl o w l o s sc o u p l i n gb e t w e e nf i b e r sa n d 如n c t i o n a ld e v i c e st h a th a v ee l l i p t i c a l f i e l d s ，s u c h a sp l a n a rw a v e g u i d e s ，s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r s ， a n dl a s e rd i o d e s i nt h i sc h a p t e r ，s o m et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na r eg i v e n k e y w o r d s ：e u d o p e d ，p 0 1 y m e ro p t i c a lf i b e r ，c l u s t e r ，c h r o m a t i cd i s p e r s i o n ， a b s o r p t i o n ，n e a r f i e l do p t i c s ，s n o m ，g r j n ，d i f f r a c t i o n ，m a t r i xo p t i c s 绪论 当今社会是一个信息高速发展的社会，随着信息高速公路和国际互连网的 迅速发展，光纤光缆作为传输的主干线得到空前的重视，在长距离传输中，单模 ( s m ) 玻璃光纤是最合适的传输媒质，这是由于它具有低损耗和高宽带的特性。 但在短距离( 1 0 0 m 以下) 的信号传送中，因为要满足单模光纤的条件，纤芯直 径必须在1 0 “m 以下，这样细的光纤，其分叉、连接十分困难，光纤连接器连 接精度要求在亚微米内，故在一般家庭、办公室内的用户系统、有线电视网等分 支多、连接部位多的短距离信号传送的场合，玻璃单模光纤的应用会带来许多麻 烦：在这种情况下，近年来将聚合物光纤( p o f ) 用于短距离通信网络， 正在 引起人们的重视，p o f 光损耗大，不适用于长距离光通信，但它的口径大，纤芯 直径在5 0 0 m 以上，耐挠曲性优良，使用方便，光耦合不需微调，不需昂贵的 光纤连接器等外围器件，适合用作短距离的光通信的传递材料。p o f 同s m 玻璃 光纤( g o f ) 相比较具有：( 1 ) 同批量生产时制造成本要便宜得多，仅为石英 光纤的一半：( 2 ) 纤芯直径大，更易端接，端接成本少。通常联接个石英光 纤接口需数十或上百美元，而相应的p o f 接口仅需几美分；( 3 ) 极好的韧性， 重量轻，易于加工，对振动不敏感，在弯曲场合更适用；( 4 ) 新型廉价的光源、 检测器和联接器更便于发挥p o f 的优势，如红色垂直腔激光器( v c s e l s ) 随 时准备取代昂贵的近紫外发光二极管( l e d ) ，并提供高得多的数据传输速度。 因此p o f 有可能成为光纤入户工程理想的首选材料，在信息高速公路工程中起 到举足轻重的作用，具有广阔的应用前景和巨大的社会和经济效益【1 3 】。 众所周知，早期市场上的p o f 产品多为p m i a 基质多模阶跃型聚合物光纤 ( s i p o f ) ，虽然与石英玻璃光纤相比在短距离通信应用中p o f 有低价、易处理的 优势，但其窄带宽和高固有衰减( 1 5 0 3 0 0 d b k m ) ，不能适应带宽逐渐增大的多 媒体社会的需要。为了增加带宽，首先想到的解决方法是减少纤芯的数值孑l 径， 采用少模s i p o f 方案。现已有m i t s u b i s h i 、a s a h i 等几家公司生产低数值孔径 s i p o f ，可供1 0 0 4 0 0 m b i t s 速率数据传输使用，传输距离5 0 1 0 0 m 。但p o f 的最主要特点是大芯径，允许降低安装和处理的费用，不能期望将其发展成单模 光纤以增加带宽，一个单模p o f 的芯径与石英玻璃光纤近似，这样p o f 低价易处 理优势将失去。庆应大学y k o i k e 等人提出的梯度折射率聚合物光纤( g i p o f ) 方案是既增加p o f 带宽又保持p o f 大芯径优势的较佳方法【4 。”。他们在1 9 9 2 年 采用界面凝胶法制成的p 删a 基质g i p o f 具有l g h z k m 带宽，在6 5 0n m 波长的 衰减为1 5 0 2 0 0 db k m 。可见g i p o f 比s i p o f 在带宽上更优越，而衰减和机械 性能差不多，同时g i p o f 很柔软，抗张强度约为l6 0ok g c m 。故引起了世界 范围的广泛重视，美国专门成立了h s p n 组织在政府的资助下开发g i p o f 技术。 p o f 的应用很广，除了短距离通信，它还可用于p o f 功能器件、图像传输、 照明装饰、光波导等多方面【6 8 】。p o f 功能器件包括p o f 放大器、p o f 功率耦合 器、p o f 光栅等等。在光纤系统中，光纤放大器具有如下作用：替代传统的光一 电一光中继器，对光信号起中继放大作用，使超长距光纤传输得以实现；作为光 发射机的后置功率放大器，以提高光端机的放射功率；用做光接收机的前置放大 器，大大改善接收机的灵敏度。在石英光纤领域，已经开发出掺e r 的光纤放大 器，由于其信号增益效果显著和易于与光纤网络相连接，已成功地替代了光电子 放大器。随着聚合物光纤及其在接入网中的应用不断发展，聚合物光纤放大器正 在成为人们关注的焦点。 聚合物光纤放大器可望弥补p o f 损耗大的缺点，使聚合物光纤局域网具有 更强的适应性，扩展它的应用领域。有机染料和稀土掺杂的p o f 因泵浦光束被 限制在芯区，很容易产生大的粒子数反转，且聚合物显示出非常好的与有机化合 物的高掺杂浓度的相容性，可在较短的光纤中获得较高的增益。日本庆应大学最 近研制的p o f 放大器，采用长l m 、芯径o 3 m m 、掺若丹明b 光纤为工作物质， 以5 3 2 m 激光为泵浦源，在5 6 0 6 0 0 m 波段获得2 0 d b 以上的增益 9 】，对8 0 0 m w 的泵光输入，通过p o f 放大器获得4 0 0 m w 的信号输出。中国科技大学选择合适 的配体和稀土离子制备络合物以改善聚合物的相容性：将稀土鳌合物作为增益介 质掺入纤芯区，在国际上首次研制出掺n d 的p o f ，并获得放大的自发辐射【l o i 1 ， 为研制比染料掺杂光纤稳定性好的p o f 放大器奠定了基础。与掺铒石英光纤放 大器相比，掺稀土p o f 放大器具有更高的功率放大功能、更宽的带宽和更高的 能量转换效率。 聚合物材料的主要通信窗口在7 8 0 m 、6 5 0 m 、5 7 0 n r n 和5 2 0 n m 附近 1 2 】， 要发展聚合物通讯系统，就有必要发展位于这些通讯窗口的激光和放大系统，而 稀土离子e u 3 + 的特征峰6 1 6 n m 比较接近6 5 0 n m 的通讯窗口。日本庆应大学在1 9 9 7 年将e u 掺杂到聚合物光纤中，采用侧面泵浦得到荧光并在此光纤中观察到6 1 6 n m 的超荧光现象【13 1 。目前我校高分子实验室也在致力于e u 3 + 掺杂聚合物光纤和波 导材料的研究，并且已经取得初步的进展，掺杂浓度已达到1 0 0 0 0 p p m 而没有产 生团簇，光纤中已经观察到6 1 3 n m 的放大的自发辐射现象。 随着数字化、信息化社会的来临，高速率、大容量信息网络体系的发展将是 国家信息基础设施的核心内容，而光子器件及其集成芯片将在高速率大容量信息 网络系统中发挥不可替代的关键作用，成为光网络发展的基础【1 4 _ 1 5 1 。传统的光 集成( o i c ) 和光电集成( o e i c ) 主要是做在铌酸锂( l i n b 0 3 ) 和硅基半导体材 料上的。近年来，人们开始关注有机聚合物光波导材料的开发研究。与传统的无 机光波导材料相比，有机聚合物光波导材料有以下优点：( 1 ) 有机聚合物光波导 材料具有较高的电光耦合系数、较低的介电常数，响应时间短，热损耗小【l ”】， 比如，一般聚合物的热光效应是硅的1 0 倍，硅基光开关功率4 0 0 5 0 0 m w ，有机 聚合物光开关功率小于5 m w ，驱动电压小，响应快：( 2 ) 有机聚合物光波导材料 比硅基无机光波导加工工艺简单经济，无须高温加热，可通过甩膜、光刻等工艺 便可制出复杂的光电集成器件，而且器件轻巧、机械性能好，因而适于制作大型 光学器件和挠性器件( 从几厘米到一米) i l “。由于其经济性和实用性，人们正 在致力于有机聚合物光波导材料在柔性光互联和光电集成块中的应用研究。同时 掺杂的有机聚合物材料也作为制备有源光电子器件的新型材料引起了广泛的重 视。 稀土掺杂聚合物材料是波导激光器和放大器的主要材料，目前已经研制出掺 n d 和掺e r 的波导放大器【1 9 - 2 “，主要是针对1 5 5 0 m 和1 3 4 0 蛳的通讯窗口，而聚合 物通讯波段的波导激光器和放大器还没见报道，目前我们实验室和我校高分子实 验室正在从事e u 掺杂聚合物光波导器件的研究，以满足聚合物通讯的需要，并 且已经初步完成了铕掺杂聚合物单模和多模波导的制作和模式测量工作。 由于光通讯系统中用到各种不同类型的功能装置( 包括有源的和无源的) ， 每一种装置都有自己的模场分布和优化场的尺寸拉2 1 。例如平面光波导器件以及 半导体激光器和放大器，他们的本征模场一般都是椭圆形分布的，而且光束是沿 径向为高斯分布的高斯光束。而标准的单模或多模光纤，他们的模式场都是 圆形分布的【2 4 】。如果两种具有不同形状模场( 椭圆形的和圆形的) 的器件不经 过任何中间变换元件就进行耦合的话，就会产生很大的耦合损失，因此就需要一 种技术或元件，可以将各种各样光学器件所产生的不同形状的模场进行相互转 化。已经有人根据掺杂物的散射设计出掺杂光纤来实现这种功能【2 5 。2 7 1 。但是这些 方法都是利用单模光纤来实现的，它所能变换的椭圆场的横纵比最大不超过2 。 而个用作光纤放大器泵源的9 8 0 n m 激光二极管所发出的激光椭圆模场的横纵 比远远大于3 。因此就需要种新的方法，可以解决大横纵比的椭圆场和圆场之 间的互相转化。而梯度折射率光纤透镜能满足这样的要求。 梯度折射率光学材料在光通讯系统中应用非常广泛，如光通讯系统中的连接 器、衰减器、耦合器等，另外它还可用于光互连、波分复用等新技术中1 2 ”。 本文的研究主要集中在两大方面：一方面是掺铕聚合物光纤和光波导材料的 近场光学特性研究，主要是用近场光学显微镜来研究聚合物光纤材料中的团簇特 性和最佳的光波导成模条件，为研制聚合物光纤和波导激光器及放大器做理论和 材料上的准备；另一方面是聚合物梯度折射率光纤透镜的特性研究，包括它的成 像特性、衍射光学特性以及波前变换特性的研究，主要研究目的是探索梯度折射 率材料的新的测量方法，拓宽它的应用领域。 参考文献 1 】t a g a y aa ，t e m m o t os ，y a m a n l o t ot ，e t a 】j o u m a lo f q u a n t u me l e c t m n i c s ，19 9 5 3 l ( 1 2 ) ：2 2 1 5 2 】k o i k ey ，i s h i g u r et ，k o b a y a s h it ，e ta 1 p r o c s p i e ，1 9 9 8 ，3 4 1 9 ：2 8 4 3 】k o b a y a s h it ，s a s a k ik ，k o i k ey ，e ta 1 p r o c s p i e ，1 9 9 8 ，3 2 8 1 ：8 4 4 】y w a t a n a b e d e v e i o p m e n to f p 邑r f l u o r i n a t e dg i p o f a 】0 e c c 9 8 c 】：1 7 6 1 7 7 【5 】y ，k o i k e e ta 1 b a n d 、v i d t l la n d t m s m i s s i o nd i s t a l l c ea c l l i e v e db yp o f a 】o e c c 9 8 【c 】：1 7 4 1 7 5 6 j c i r i l l o ，s p i eo e ，f i b e r s 9 1 ，p l a s t i co p t i a lf i b e r s ，1 5 9 2 ：6 l ，( 1 9 9 1 ) 7 】h s u g a n 啪a ，t m a s t s u n a g a ，s p i eo 阶i b e r s 9 1 ，p l a s t i co p t i a lf i b e r s ，1 5 9 2 ： 1 2 ( 1 9 9 1 ) 8 s t e h l i i lt f ，f i b e ro p t i c s ，n o ，：2 7 2 9 ( 1 9 9 2 ) 9 k o b a y 髂l l it e ta 1 p o f 锄p l i f i e r s 趾dl 嬲c r s o e c c 9 8 ，1 9 9 8 ：5 7 【1 0 】z h a n gq ，m i n g he ta 1 an o v e lu n c l a dn d 3 + d o p e dp 0 1 y m e ro p t i c a lf i b e r ， j o 啪a lo f a p p l i e dp 0 1 y i l l e rs c i e n c e ，1 9 9 6 ，6 2 ：8 8 7 【1 1 】z h a l l gq ，m i n g he ta 1 a m p l i 五e ds p o n t a i l e o l l se 商s s i o no f a 1 1n d - d o p e d p o l y ( m e t h y m e t h a c r y l a t c ) o p t i c a lf i b e ra t 锄b i e mt c m p e r a n l r c a p p l i e dp h y s l e t t ， 1 9 9 8 ，7 2 ( 4 ) ：4 0 7 【1 2 】c k o e p p e n ，r f s h i ，w d c h e n ，a n da f g a r i t o ，j o p t s o c a m b 1 5 ( 1 9 9 6 ) 7 2 7 7 3 0 13 】t u k o b a y a s h i ，s n a k a t s u k a ，t 1 w a 划i ，k k 血l ( i ，n i r n a i ，t n a l ( a m o t oe t c ， a p p l p h y s l e n 7 l ，2 4 2 1 ( 1 9 9 7 ) 【1 4 】王启明，光网络与光子集成的发展( 上) ，电子产品世界，n o 4 b ，7 1 1 ，2 0 0 1 1 5 】王启明，光网络与光子集成的发展( 下) ，电子产品世界，n o 5 b ，7 1 1 ，2 0 0 1 【1 6 】m u k h e l j e ea ，e a p e nbj ，b a m i s k ，a p p l p h y s l e t t ，1 9 9 4 ，6 5 ( 2 5 ) ：3 1 7 9 - 3 1 8 1 1 7 】l i p s c o o m bgf ，【矿e lr s ，t i c k n o r aje te t ，p m c s p i e ，1 9 9 0 ，1 3 3 7 ：2 3 - 3 4 【1 8 】s t e w a r tk r p h o t o n i c ss p e c t r a ，j u l y1 9 9 4 ：1 0 4 - 1 0 8 1 9 】q k a r v e ，b b i h a r i ，r t c h e n ，a p p l p h y s l e t l2 0 0 0 ，7 7 ，1 2 5 3 2 0 d a n ，z ，】e ，r tc h e n ，a p p i p b y s l e 托19 9 8 ，7 2 ，2 8 0 6 2 1 h o n gm a ，a l e xk 一yj e n ，a n dl a r r yr d a l t o n ，a d v m a t e r2 0 0 2 ，1 4 ，1 3 3 9 2 2 】a k i mo g u r aa 1 1 d k a z u os h i r a i s h i ，j o u m a lo f “曲m a v et e c l l l l o l o 鼢1 9 ， 4 9 ( 2 0 0 1 ) 【2 3 】卢亚雄，吕百达，矩阵光学，c h a p3 ( 1 9 8 9 ) 2 4 廖延彪，光纤光学，c h a p 1 ( 2 0 0 0 ) 2 5 k s h i g i h a r a ，k s h i r a i s h i ，a n ds k a w a l ( a l t l i ，j a p p l p h y s 6 0 ，4 2 9 3 ( 1 9 8 6 ) 2 6 ly i m a d a a n dh h a n a f u s a ，p h o t o n ，t c c h n o i l e t t ，6 ，5 3 1 ( 1 9 9 4 ) 2 7 】h a g a 、v a ，工o n o ，a 1 1 da o y o b e ，n a n s i e i c ej 印a 1 1 ，j 7 7 一c - i ，3 6 3 ( 1 9 9 4 ) 【2 8 乔亚夫，西安邮电学院学报，v 0 1 4 ，n o 3 ，6 1 4 中豳科技大掌傅士掌位黼，文 第1 部分 掺铕聚合物光纤及波导材料的 近场光学特性研究 p a ni 。 i n v e s 专i g a t i o no n t h en e a r f i e l d o p t i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f eu d o p e dp o l y l n e l - o p t i c a ln b e r sa 糕dw a v e g 珏i d e 第一章近场光学及近场光学显微镜概述 i i 近场光学基本原理 从光学显微镜诞生后至今的5 0 0 年间，人类为提高显微镜的分辨率进行了不 懈的努力。传统的光学显微镜受衍射效应的限制，很难突破九2 的分辨率极限。 人们将此分辨率极限称为瑞利判据，瑞利判据是说当来自相邻两物点的光的强度 相等时，如果一个物点的衍射光斑的主极大与另一个物点的衍射光斑第极小恰 好重合，便认为这两个物点的像刚好能被分开。如图l l 所示。海森伯通过测 不准原理也导出了瑞利判据，如图1 2 所示，假设人们从图申点o 观察中间相 距为血的a 和b 两点，显然“最小可分辨的缸。值”就是分辨极限，即为瑞利 判据的表述。设在。点接受到的来自a 和b 两点的波矢大小- = z = k = ，夹 角为2 9 ，则波矢在x 方向的差值为 后，= 2 后，= 2 彤n 目 当口= 时，达到最大值2 k ，即 越= 2 = 根据坐标和动量的不确定关系缸p 。a ，得到缸j ，1 ，由龇，取最大值时，出 最小可得瑞利判据为缸m m 。 在上述推导过程中，我们所取的波矢的任一分量都不大于总矢量k ，此时分 辨率极限由瑞利判据给出，不能突破衍射极限。下面我们取波矢分量。大于波 矢k ，即下列不等式成立的情况 女。 = | j ( 1 1 ) 按照以上推导可得缸。 必，也就是说突破衍射极限是可能的。我们下面来考 察满足式( 1 一1 ) 的物理含义。我们知道波矢k 有下列色散关系 七2 = 霹+ 碍+ t ：仁：砖一霹) 巧 1 2 ，fi 1 分- h t l 1 - r 冀拜曩光q 寸，臼老噜衙竟l 中，h 电大掣博士掌咖n e 文】f 一章噩，冀消艮逝场光拳一瞳毫 要使式( 1 1 ) 和( 1 2 ) 同时成立，只有屯和t 或其中之一是虚数时才有可 能。也就是当波矢k 为复数时，分辨率的衍射极限才能突破。当波矢k 的x 和y 分量t ，i ，为实数，z 分量为虚数吃时，在空间p 点，波矢为k 的光波场表示为 u ( ，) = u ( x ，y ，z ) e x p f ( t x + 七，y + 七：z c 甜) 】 = u ( x ，j ，z ) e x p f ( 七，x + y 一国r ) 一z 】 此光波场表示在物平面( x ，y ) 方向传播和沿z 方向指数衰减的倏逝场。由于沿 z 方向以指数律衰减，倾逝场实际上只能存在于邻近( x ，y ) 面的近场区，由于 倏逝场的这个特点，我们把它又称为近场。因此近场就是指沿着物体表面传播， 垂直物体表面指数衰减的光波场。它的衰减范围约为波长量级。物体的突破分辨 率衍射极限的超分辨成像信息，只能从近场区的倏逝场中获取。下面我们以经典 物理为基础，从不同角度讨论一下倏逝场的问题。 墨镜 芟里并 点 图l l 物点所成的衍射光斑和瑞利判据示意图 一 图l 2 相距为缸的a 、b 两点的分辨问题 2 i_。i；土 ! ! 竺苎查竺竺竺些查! 二! 苎兰苎竺竖兰兰竺兰! ! 苎! ! 一 近场光学是研究距离物体表面一个波长以内近场区域的光学现象的新型交 叉学科，倏逝场是近场光学的核心概念。最早是z e n n e c k ( 1 9 0 7 ) 和 s o 咖e r f e l d ( 1 9 0 9 ) 叫在分析金属表面的趋肤效应时认识到倏逝场的存在。而后， f a n o ( 1 9 4 1 ) 认识到金属表面束缚的倏逝电磁模是与观察到的金属光栅衍射的 反常现象相关联的。 1 9 8 5 年w o l f 和n i e t o v e p e r i n a s “1 通过角谱方法分析物体的散射场后，得出 结论，由占据一个有限域的散射体产生的散射场必定同时包括传播波和倏逝波。 以傅立叶频谱概念理解，有限畴的散射体，比如一个小孔，一个小球，或样品的 一个突起，这些具有空间突变特征的物体用空间频率语言描述，即它们所包含的 傅立叶频谱分量可以包含从o 到无穷大。当光波与这些具有精细结构的物体相互 作用，光波可以被转换为包含物体低频信息的传播分量；和包含物体高频信息的 倏逝场，它被局域在物体的表面。 下面我们就借助傅立叶光学角谱9 “的概念来理解倏逝场与物体超分辨精细 结构之间的关系。物体的精细结构或空间起伏以及干涉场或衍射场等随空间变化 的物理现象，最终总可以用空间周期性变化的函数加以描述。 我们讨论由z = o 的空问平面( x ，y ，0 ) 上的光场分布引起在( x ，y ，z ) 平面处的 场分布。平面( x ，y ，z = o ) 上波长为五的光场分布( x ，j ，o ) 可表达为： u ( x ，y ，o ) = ff 爿。( “，v ) e x p d 2 石( 眦+ ，y ) p “( 如 ( 1 3 ) 上式可以看作是对光场u ( x ，y ，z ) 在z = o 平面的傅立叶展开，将其按空间频率 分解为不同传播矢量的平面波的叠加，定义u ，v ，w 为三维空间频率，平面波的波 矢舡( 27 r 五) n ，量与坐标轴的交角分别为臼，妒，；七的方向余弦依次为： 口= c o s ( p ) ，卢= c o s ( 妒) ，y = c o s ( ) ( 1 4 ) 口，和，满足关系：口2 十2 + ，2 = l ：并与空间频率存在下列关系：口= 砌， 卢= 加，y = 加；式l 3 可改写成以方向余弦为变量的积分： u ( t j ，o ) = f f 彳。( 口五，丑，o ) e x p 【f 2 口五( 缎+ 砂) p ( 口五) d ( p 五) ( 1 5 ) 其中变换：4 ( 口旯，a ，o ) = fp ( x ，y ，o ) e x p 【- f 2 7 r 兄( 缎+ 缈) k 砂： 童i 部分謦_ 泰- 光f a 毙壤材韩曲置膏光拳静t 研兜 ! ! 苎苎查竺! 主竺苎竺查 ! = ! 兰兰兰竺苎苎兰兰竺兰! ! ! ! ! l 通常把以 丑五，o ) 称为光场u ( 工，y ，0 ) 的角谱。同样由u ( x ，y ，o ) 在z 2 z 处引起 的光波场u ( x ，y ，z ) 也可以写出与式卜5 相同的形式： u ( x ，乃z ) = ff 彳( 口a ，卢五，z ) e x p d 2 万，a ( 识+ 砂) p ( 口，旯) d ( a ) ( 1 6 ) u ( x ，_ y ，z ) 也是由z = 0 平面的各角谱经过传播了距离z 后，再次叠加而成，各分 量都经过了相移( 1 一口2 一2 ) ”2 肱的变化，即： 4 ( 口旯，p ，a ，z ) = 4 。( 口a ，a ，o ) e x p l 2 石，a ( 1 一口2 一卢2 ) 2 z j ( 1 7 ) 于是可以获得u ( x ，y ，z ) 的分布： c ，( x ，y ，z ) ：仃z 。( 口， ，卢z ，o ) e x p l 2 口，z ( 1 一口2 一p 2 ) z e x p d 2 9 ( + 缈) p ( 口z ) d ( 芦 ) ( 卜8 ) 以上就是角谱理论的要点。 下面我们用角谱的方法具体讨论一下光栅的衍射场，