（精密仪器及机械专业论文）基于平面光波导的光学传感器的理论和实验研究.pdf

基于平面光波导的光学传感器的理论 和实验研究 摘要 本文采用一个平面薄膜波导的理论模型，从理论上分析了平面 薄膜波导的光学特性以及近场光共振增强的条件，讨论了波导结构 参数( 包括隔离层波导层的折射系数和厚度以及介质介电层的折射系 数) 对共振模式、波导层的透过因子、近场光强度等的影响，跟踪最新 的波导传感器，并对波导传感器在气体和液体样品中的灵敏度进行 r 定量分析。 根据这一理论模型得出的一系列结论，对平面薄膜波导的光学特 性进行，一系列的实验研究和探索，建立了一整套比较完善的研究 光波导特性的实验装置，为后续光波导方面的研究提供了强有力的技 术支持。j 关键词：平面波导，光学传感器，导波共振 a b s t r a c t t h e s e n s i t i v i t yo f t h e p l a n a rw a v e g u i d e i sa n a l y z e db yas i m p l et h e o r ym o d e l t h ee f f e c t so ft h e p l a n a rw a v e g u i d e s t r u c t u r e p a r a m e t e r s a r et h e m a j o r e v a l u a t i n gi n d i c e so far e s o n a n ts y s t e m t h u sw es t u d i e dt h ee f f e c t so ft h e p l a n a rw a v e g u i d e s t r u c t u r e p a r a m e t e r s a n d g a v e a q u a n t i t a t i v ep r e c i s i o n e v a l u a t i o no ft h es y s t e m b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h et h e o r ym o d e l ，as e r i e so fc o n c l u s i o n su p o nt h e o p t i c a lc h a r a c t e r so ft h ep l a n a rw a v e g u i d eo r ed r a w na n da p p l i e dt ob u i l da e x p e r i m e n t a ls y s t e mf o rb i o s e n s o rp r o t o t y p e ，w h i c hp r o v i d es t r o n gf o u n d a t i o n f o rs u b s e q u e n tr e s e a r c ha n d e x p e r i m e n t s k e y w a r d ：p l a n a r w a v e g u i d e ，o p t i c a ls e n s or g u i d e w a v er e s o n a n t 第一章绪论中圆科学技术人学硕 + 论文 第一章绪论 1 1 引言 在很多年以前，光学技术( 如传统的分光光度计，荧光测定法等) 就已经被 应用到了解和探索生物学的系统和过程当中，而且直到今天，分光光度计仍然是 许多生物化学实验室的主要测量工具之一。然而，在过去的3 0 年当中，生物化 学传感器技术有了迅猛的发展，并且随着各项研究技术成果的出现，已经开始尝 试引入各项新技术来简化生物学系统的分析过程：美国的lc c l a r k 和 c l y o n s 1 制作的探测葡萄糖的电化学传感器是世界上的第一例生物化学传感 器，从此以后，关于生物化学传感器这一领域的文章和专利应用纷沓而来，尽管 绝大多数生物传感器都是用于分析生物的医疗特性( 如血糖等) ，但是越来越多 的被应用到其他领域中( 如环境监测和工业过程控制等) 。多种传感技术如电化 学技术 2 - 4 ，晶体管器件 5 ，6 和光学技术 7 9 等越来越多的被应用到生物传 感器中。生物传感器的发展目标就是要具有和传统的实验测试方法相当甚至更 好的测试效果，而且要比现有的测试技术更快，操作更简单，造价更低廉。生物 传感器的这一发展目标的实现使得没有熟练的操作技能的实验员也能够很快地 完成复杂生物化学测试过程，甚至还可以对比较遥远偏僻的水道，河道等进行监 测。 1 2 生物化学传感器的发展及其特点 最早报道的生物化学传感器是在7 0 年代和8 0 年代初期，从那以后，生物化 学传感器成了生化酶基及亲和力传感器( 包括抗体，抗原和核酸检测) 的主要发 展方向，而且还不断引入了各种类型的光学技术和系统如光反射技术 7 ，1 l ，1 2 ， 表面等离子体( s p r ) 技术 8 ，1 3 ，1 4 ，倏逝波技术 9 ，1 5 1 7 和集成光学 1 8 ，1 9 以及基于光纤的光谱学技术和荧光测定法 2 0 ，2 1 。在所有的这类传感器中，捕 获生物活性材料的主变换器通常是某种形式的光纤或平面衬底，这层平面衬底 通常都是波导层。 光纤在生物化学传感器中通常应用在两个方面：( 1 ) 在生物化学反应区域 附近多次传导光线 2 2 ，可以用光纤的末端柬捕捉生物化学反应物或者用光纤 第一章绪论 中困科学技术人学硕l 论文 在有化学反应物的反应容器中传递光线。( 2 ) 支持倏逝波场来检测光纤表面捕 捉到的生物化学反应 1 7 ，2 3 。 在难以接近的区域中的生物化学检测中( 如分析d , t l 中的水质) ，光纤传感 器表现出了很明显的优势，由于光纤系统的机械灵活性以及可通过光纤长距离 传输光信号的能力使得光纤传感器非常有吸引力。光纤生物化学传感器的另一 个优势在于它能够在实验室中很容易地建立起来用以证明新的分析方法。就这 点而言，基于波导的生物化学传感器需要较多的仪器设备和技能来建立起一套 简单的系统。 1 3 波导传感器的特点 尽管光纤生物化学传感器在分析性能上有这么多的优势，光纤传感器仅仅 在实际物理参数( 如压力，温度，加速度等) 的测量中广泛用于商业用途，偶尔也 用于化学领域中，但还没有商品化的基于光纤的生物传感器。从表卜l 可以看 出，唯一用于商业用途的生物传感器都是波导传感器。b i a c o r e 7 ”传感器包括一个 负责连接和协调系统的射流学( 所谓射流学技术是利用流体动力学现象执行传 感、控制、信息处理、驱动等功能的科学和技术分支。) 的表面镀金的传感器 芯 片 2 4 ：i a s y s 7 ：”中的共振镜传感器则包括一个镀有生物活性层的 同时具有高折射率和低折射率材料的薄片 2 5 ：而b i o s t a f 公司的o p t i c a l l m m u n o a s s a y ”包括一个镀有聚合物层和a 类链球菌抗原的抗体的硅片衬底 f 1 2 。 表卜1 商用光学生物传感器系统简表 ；婚商传巷器光学技术 啦雨顿域 p h a z 研a c i ab i o s e n s o zb a c o r e ”?表蠹等高于馓了( s p r ) f i s o l i sa p p l i e ds ( v 7 s o l l a s t s “ 共振镜 t e c h n o l o g l v 配台接1 j 反配e 蕞z 阃的复啦 ( 溉抗取决定基的定也1 配合基l i 反配台罄之衄的反i 电 0 p ti c a l& 甜a 类链球毽抗裱持溉 i m m u n o a s s a y f “ a l t i c i a ls e n s i n g b i o s i i m 棠城光学传惑鹣配台基t | 反配台娃2 画拍及m i n s r tu i l l e l l t s 笫一幸绪论 中固科学技术人学顾仑义 相对光纤传感器而言，波导传感器有许多优点，而且这些优点对些分析系 统( 如表1 2 所示) 是非常重要的。表中的各项优点都有相关的光学传感器，不 仅包括商用的光学传感器，还包括币在发展的传感器。( 如有活性的毛细血管注 入技术f c f d 1 6 ) 表卜2 波导传感器的戥造帮大批量生产钧优点： 眨直试裁筑沉积帮定型比较简单 可以甩一个薄片来翻作许多器件。以提高器件闯的精度 这类器件稳更好的鲁棒性? 曼容易操作便甬， 司以很方便地使甬不碗的携褪束沉积秘定型? 如金羁骥不商折射系数的玻璃， 波导器件司以组战一个完整的传感器系统t 掘有，羔枫能毛镪噬管注入技术 f c f 踟， 波导器件很容易合荠虱穗关仪器的光学部分当中去 戡造易于搡纵波导器件的仪器也绶容易获得 1 4 波导传感器的发展 1 9 8 3 年，苏黎世的瑞士联邦工学院的光学实验室根据仅1 0 0 1 5 0 h m 厚的高 折射率的s i 0 2 - t i o ，的平面波导对相对湿度的敏感性现象发明了一种新的集成光 学传感器，这就是最早的平面波导传感器的应用。这类传感器通常是利用光波 导的导波特性尤其是高折射率的很薄的平面波导的币交极化t e n 和t m 。模式，波 导表面的一种有化学选择性的薄层用束吸附气体或液体样品中的待分析分子。 由于接近波导表面的环境折射率发生了改变( 更准确的说，是导波的倏逝场的渗 透深度z 范围内的环境折射率发生了改变) ，这种效应反过来也影响了导波模 式的有效折射率和。例如，在生物化学亲和力检测传感器中，化学选择性 的薄层包含了选择性吸附配合基作为待分析分子的受体分子( r e c e p t o r m o l e c u l e s ) ：尤其是在免疫传感器或免疫分析仪中，受体是抗体( 或抗原) 而待分 析的分子是相应的抗原( 或抗体) 。这类直接的亲和性或免疫传感器避免了诸如 第一幸娟论中嗣科学技术夫学颤 。论殳 楣对光纤传感器藤言，波导传感器奇许多优点，而且这些优点对一些分析系 统( 如表1 - 2 所示) 是非常重要的。表中的各项优点都有相关的光学传感器，不 仅包括商蹋的光学传感器，还包括语在发展的传感器。( 如有活性的毛细觑管注 入技术f c f d 1 6 ) 表i 一2 波导传感器的镄造强大批璧生产鹃优点： 反应试翻蛹沉积和定整比较麓荦 再j 以臻一个薄片寒魏 乍许多嚣 譬? 以提甍器件闾螃精受 这类器件存建好的鲁捧性吏容易擐份健鼹。 司以投专经进馒甬不碗魄榜辩柬沉积秘定銎? 如会狡摸? 不飘揉麓琴数的破璃， 波导器件鞠以组成一个完整钓传惑器系统l 瓿嚏生梳的毛缎氲营注入技术 f 鼬， 波导器件硬容秘合并毯瞧关仪器的光学部分当中去 禹# 造易于撩级波导器件鹳仪器也缀密翳获缛 1 4 波导传感器的发展 t 9 8 3 年，苏黎世的瑞士联邦工学院款光学实验室根据仅i 0 0 1 5 0 h m 蓐的赢 毒斥射率的s i o f t i o 。的平丽波导对相对湿度的敏感性现象发明了一种新的集成光 学传感襄，这就是最早的平裔波导传感器的应粥。这类传感器通常是利沼光波 导的导波特性尤其是离折射率的很薄的平面波导的正交极化t e n 和t 粥。模式，波 导表面的稀有化学选择性的薄层用来吸附气体或液体样品中的德分柝分子。 出于接近波导表面的环境辑射率发生了改变( 更准确的说，是导波的倏逝场的渗 透深度z 范围内的环境折射率发生了改变) ，这种效应反过来也影响了导波模 式的有效折射率和。例如，在生物化学寒和力检测传感器中，化学选择性 的薄层包含了选择性吸附配合基作为待分析分子的受体分子( r e c e p t o r l e c u i e s ) ；尤其是在免疫传感器或免疫分析仪中，受体是抗体( 或抗原) 恧待分 拼蛉分子是相应的抗原( 或抗体) 。这类点接的亲和性或免疫传感器避免了漆妞 第一章终论 中困科学技术久学倾l ：论文 荧光等标惑试裁的使用。 随蕾环保意识斡融盏增强，对环麓监浏的要求毽越来越迫切，光学传感器系 统将楚我们环境鼹察的主甍滥测工其，绝大多数这类系统都是利用倏逝场的测 向原瑾铡成的。使糟基子倏趱场的光学传感器不仅是因为它们没有其他负筒效 应，能够在易燃空气中应用，丽且在与光纤光学结合的应用中它还具有稳定性，灵 活性嗣时许多这类传感器的成本也比较低。 1 5 平面波导共振技术的发展 各种波导传感器都是根据倏逝波增强技术原理提出的，其实质就是利用波导 层在特定祭 孛下的倏邀波增强，并虽在波譬共探状态时，倏逝波场强最强。岛 年代以来，髑平露波嚣实现远场光共振增强，并已成功地用彳乍原予反射镜，已成 为艨予光学中的重要元件。1 9 9 4 年德因k o n s t a n z 大学和法阉光学萋开究所实现 了臻强t 3 0 倍 2 6 ，1 9 9 6 年法霉光学研究所实现了蜷强】6 5 0 詹 2 7 。考虑剖 多种参数优化结聚，增强倍数可望进一步提高。其他圈家也7 i = 始或继续进行这 项研究 2 8 ，2 9 。嗣前豳内尚来见报遇。显然，大幅度提高近场光强鏖，无论对 非线性光学 3 0 + 3 1 、原予光学、还是近场光学都有重要意义。由于满足平面波 导诣振条件较为苛刻。光束入射角的微小变化、环境折射率的微小变化等都会 明显影响近场光强和反射光强。币因为有这些敏感性，它有可能耀作多釉传感 器。 乎甄波导共掇技术已经成功地应蠲予薄膜结秘参数的测鲞，近年来被越来 越广泛逸应用于化学、生物反应的硷测和研究。倏邀波生物化学传感器已成为 集成光学技术中除光透信外最有莳途的应用之一 3 2 1 ，由于对由商分子如蛋白 质等的联接引起煎表瑟折射率的变化非常敏感，已将它制成免疫传感器，这稀 生化传感嚣能够探测多种生物分子( 如抗原、抗体、半抗鲧、激素等) 阎的反 应 3 3 1 。 l 。6 三种波导传感器技术 投撼波导传感器的倏逝波场强增强的机铡不同，碧翦的波导传感器技术主 第一章绪论 中围科学技术人学硕l 论文 要可以分为三类 3 4 ： 1 6 1 表面等离子体( s p r ) 技术 如图1 - 1 所示，所谓表面等离子体技术就是在透明介质上镀上层金属膜 ( 通常是a u 或a g ) 当一定波长的p 极化光( t 波) 入射到玻璃衬底表面并且入 射角大于某个临界角时，光在衬底表面发生内全反射，并激发出表面等离子波 ( s u r f a c ep l a s m aw a v e ，简称s p w ) 。将m a x w e l l 理论应用到等离子体中，表面等 离子波沿着高导电性能的金属和介电材料的分界面上传播，并且从分界面上丌始 以指数形式衰减。 考虑到图卜1 中坐标系下的几何关系，可得到m a x w e ll 方程的解 x o ： i ( ；，f ) ：( 一i k 乜。o e i ，e ：) e x p 一a x + 嗽= z - - 研) 】 a 酉( ；，) ：丝【肮二e 0 ，兰萼e ：，口，e i e x p - a q x + i ( k ：z 一甜) 甜口c 。 x 0和r eg ：) 0 根据电磁场的切向连续性边界条件，有： e ：，= e ；v = 0 一盛，口， f s 2 ( l3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 1 4 ) 式表明，表面等离子波( s p w ) 是极化波，电场强度矢量在x z 平面内。 ( 1 ，5 ) 式淀嘲表面等离子波仅存在于介质的分界颟上，它们的极化函数的符号正好 相反。 从式( 1 3 ) n 式( 1 。5 ) 可以褥出著名的等离子波散射公式： 膏? = 冬粤( 1 固 c 占+ f ， 、 等离子波场的波矢量的复数形式： k = k ：+ i k ： 其中的虚部k ：表征了在沿着介质分界恧上传播的等离子场衰减。 在定条件下，外场激发可形成表面等离子体激子( 只有删波可以激发袭 嚼等离子激子而t e 波不能) ，表面等离子激予在p 极化光的激发下，其反射光的 光强箱稳位都璃发生很大变化，可以通过测量反射光的光强瓤相位的变化来监测 入射光的微小变化，利用这一原理可以割成基于表面等离子体技术的传感器。将 表耐等离子技术应用于气体检测和生物传感器首先是由l i e d b e r g 在1 9 8 3 年提 出来的，自那以后开始出现许多基于表面等离子体技术的生物化学传感器。应用 这项技术，已研制出扫描等离子体激予光学显微镜( s p o m ) 3 5 ，和等离子体激 予近场显微镜 3 6 和许多佳感器 3 7 。但是基于表面等离子体技本的传感器是 6 第一章绪论 中国科学技术人学硕i ：论文 由会属膜的特性来决定的，而且可选的金属膜的种类仅限于a u 和a g 等有限的几 种金属膜，不易进一步改进。 1 6 2 平面薄膜波导 是在棱镜表面形成薄的介电波导层 3 8 ，它的具体结构主要由一个高折射 率基片，一个低折射率的隔离层和一个高折射率的很薄的波导层组成的，在实际 应用时，是在高折射率的棱镜表面上依次形成低折射率的隔离层和高折射率的波 导层，样品放在波导层上。平面薄膜波导传感器是运用内全反射将光耦合到波导 层的一种平面波导光学传感器，入射光速与波导层之间的耦合是通过棱镜与波导 层之间的低折射率隔离层形成的倏逝场实现的。当一种波导模式被激发时，波 导中的光强会大大增加。入射光束与波导之间的耦合是通过波导与棱镜之问由 折射率很小的材料构成的膜层形成的光隧道实现的。因此，要在棱镜表面形成 两层薄膜，一层是折射率很小的膜层( 如s i o ，折射率1 4 6 ) ，形成光隧道；另 一层是折射率很大的膜层( 如t i o ，折射率2 3 8 ) ，形成波导层。据报道，采用 这种方法已使近场光强提高2 3 个量级。平面薄膜波导传感器采用两种工作方 式：谱扫描( 改变波长，固定入射角) 和角扫描( 固定波长，改变入射角) ，来测量反 射光强或通过干涉图样的变化测量样品表面折射率变化时的位相变化或用偏振 光调制技术结合相干检测技术测量样品表面折射率变化引起的位相变化，它的缺 点是由于棱镜和膜层( 主要是膜层) 在制作中存在着内应力，导致波导中的双折射 现象，引起背景光强变化甚至共振峰消失，对应用有一定的影响。 1 6 3 光栅波导 光栅波导 3 9 的结构简图如图卜2 所示，就是在电介质和真空表面外加一个 光栅，利用光栅的周期性达到近场光共振增强的目的。 第一章绪论 中固科学技术人学硕l 论义 、 入射平面波在光栅表面发生衍射，并激发波导模式。 4 0 此时近场光强度 e ( x ) = ae x p ( 一口x )( 1 7 ) 式中，口是与波导模式衰减有关的能量损失参数，它包括了所有可能的能量损 失机制，代表了所有透过波导层耦合出去的能量。 由于近场指数衰减引起的远场散射符合洛伦兹分布 e ( 口，旯) 2 ia玎i-=_：i帑1 c 1 8 ， 其中，0 。是弧度表示的偏离共振峰中心的角度， 是波长， 考虑到光栅实际尺寸的影响，对近场光强度引入窗函数： 式中 e 0 ( j ) = ae x p ( 一o x ) f e e l ( 三) ( 1 9 ) a 删引 w h e n l x l 胛2 n 1 。根据图2 - 1 中所给的关系： 】 月2 。，电 磁波沿着z 轴在棱镜( j = 1 ) 、波导层( j = 3 ) 、隔离层( j = 2 ) 和真空介质( j = 4 ) 中 传播。棱镜和波导层的电场强度可表示为： e j ( x ，z ) = ( a t e x p ( k a ：) + a je x p ( 一女j z ) ) e x p ( i k ，x ) ( 2 5 ) 式中，”謦叫 心1 ，3 ) 类似的，在隔离层和真空介质中有， e ( x ，z ) = ( 爿，e x p ( 一k ，：) + ( 1 哆4 ) 爿je x p ( k ，z ) ) e x p ( i k x x ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 式中，= 、k 一 ；等 ( j = 2 ，4 ) ( 2 8 ) 在介质i j 交界面的菲涅尔反射系数和折射系数可以用和，。来表示。 于是有， o 2 h f e x p ( 一2 如。)( 2 9 ) 在我们的特殊系统中，棱镜一隔离层、n 导n - n n n 、波导层一真空介质界面上 都发生内全反射。如果不考虑光损失的话，有k j ：1 和k = l ( j = 2 ，4 ) 。如果计 入光损失的话，则有1 ，l 1 4 5 。于是有， 堡兰要：! = 堕翌坚鲨壁竺塑塑坌丝! ! 些堡堡墨 ! 璺型兰垫查叁兰! ! ! ：堡墨 吒，。2 ；i ；! 薏j 糍= 1 _ ，。1 e x p c - 2 i c i ，2 3 4 ， c 2 1 。， 类似的有 = 嬲钆 式中的符号“和。只是为了方便所采用的简写形式。 透过因子f tl 4 i2 表征了系统的性能，它和系统的光强增益成j 下比。 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 2 2 2 理想波导( 不考虑光损失) 根掘介质交界面上的电场的连续性，可以将振幅透过因子表示为 4 6 】 g = r 控r 2 3 - r 3 4 r 2 l e x p ( 2 i k d d 3 ) 振幅反射因子 f 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 由于我们只对强共振系统感兴趣，所以只讨论厚隔离层的情形，于是有， e x p ( 一2 k 2 d 2 ) 1 r ，1 7 、 一。， 比如在我们的系统中有，尼2z4 3 和e x p ( 一- 2 k ：d 2 ) z4 1 0 “ 利用( 2 1 3 ) 和( 2 1 6 ) 可以描绘出透过因子h | - 和反射因谛j 。f 2 随波长 的函数关 系曲线，在理想波导系统( 不考虑系统的光能量损失) 中，所有的入射光都在棱镜 上反射回来，因此，对任何波长的入射光而言，k 。f 镱是恒等于1 。而透过因子 hj 。则表现出明显的共振行为，在共振波长处，传输因子发生显著的增强。 2 2 3 有损波导( 考虑光损失因素) 一 一如，一k器 “g竺+ 型啪垡附 瓦 畋一畋鬻蓑 一h 弧幸 、卜血薄膜波导结构简介技j e 理论模型 中固科学技术大学钡i - 论文 在上一节中讨论了无损波导的共振行为，然而，我们的实际系统很容易受到多 种光损失机制的影响：光吸收，光表面敞射等。实际观测表明，反射因刊，i 。 2 在共 振时的光损失可达2 0 以上，而在远离共振区时的光损失很小。这一现象表明， 在共振时的光损失绝大部分都来自于电磁波能量密度很高的波导层，于是我们可 以通过给波导层的折射系数增加一个虚部来表征波导层中的光损失。 _ - - ”32 ”3 + 鸭 ( 2 1 8 ) 假定不仅包含了在波导层内部的光损失，而且还包括了在波导层隔离层和波 导层- 真空介质层交界面上的光散射损失。 振幅透过园子，a 和振幅反射因子_ 。仍然可以用式( 2 1 3 ) 和( 2 1 6 ) 来计算， 不过需要用式( 2 1 8 ) 来替代波导层的折射系数，而且同样可以描绘出透过因子 h f 和反射因子i k l 4 l2 随波长 的函数关系曲线。随着的增大，! t 1 41 铂峰值迅 速降低，而i ； 也不再恒等于1 ，而是在共振峰处出现一个明显的凹陷。 2 2 4 平面波导共振条件 4 7 波导层上部真空中的电场强度e ，是由棱镜的入射电强e ，和入射角0 。来决 定的。棱镜的反射场用茸表示，对于给定的波导结构，入射光以特定的入射角 o 、入射时，透过因子h j 表现出很强的角度振荡峰，这些振荡峰对应于波导模式的 共振条件： 2 d 3 竺 3c o s 0 3 = _ 5 f ，3 4 + 川+ 2 m 7 ， o ( 2 1 9 ) 1 1 3 _ = 0 ，i 2 、 式中o3 是波导层的折射角( 通过式s i n 0 3 = 刀，s i n o l 和入射角e ，相关) ，v 。和 1 i r 。分别是在波导层一真空、波导层一隔离层的分界面上发生内全反射时的相位 变化。注意，1 l ，二，已经考虑了棱镜的影响( 也就是说，它和波导层与棱镜之间的距 离d ：有关) ，由于入射场的极化方向对相位变化的影响不一样，所以系统对t e 和 t m 模式的极化波有不同的共振模态。 第一章 、l 面薄膜波导结构简介及j e 理论模型中固科学技术人学顺i ：论文 2 3 平面薄膜波导理论模型小结 平面薄膜波导理论模型详尽地描述了在理想( 无损) 波导和有损波导情况下， 波导传感器的光学行为，引入透过因子和反射因子来描述系统的能量传递状态，同 时还研究了平面波导的共振增强条件。由于平面薄膜波导在传感器方面的应用 还有待进一步的深入研究，而且平面薄膜波导结构对环境折射率变化的高度敏感， 因此，这一理论模型在我们的实验研究方面有着非常重要的指导意义。只有在一 定的理论指导下，平面薄膜波导的结构材料，镀膜工艺的选取，棱镜结构的设计( 保 证平面波导的共振角) ，入射波长的选取等爿能够有条不紊地进行。 第 三章、1 ，面薄膜波导特忭的计算和分析中国科学技术人学硕卜论文 第三章平面薄膜波导特性的计算和分析 根据上一章给出的平面薄膜波导的理论模型，我们可以对平面薄膜波导的 导波共振特性进行定量的理论分析。平面薄膜波导层的光学特性和波导层的结 构参数有着很密切的关系，本文主要从以下几个方面来阐述： 3 1 平面薄膜波导层的共振角和被测样品折射率n 。、波导 层厚度d 。的变化关系 图3 1 所示入射光波长为7 8 0 r i m 时，平面薄膜波导层的共振角和被测样品 折射率儿、波导层厚度d ，的变化关系图，从关系图中我们可以看出，当入射光 波的波长一定时，随着被测样品折射率n 。的增加，波导层的共振角也相应的增 大。随着波导层的厚度d ，的增大，波导层的共振角相应的减小。 8 5 e 0 昙 7 5 芒 旨7 0 篙 叱 6 5 6 0 d 3 ( u m ) 幽3 1 刍x = 7 8 0 n m ，d z = 5 8 0 n m 时，共振角随n 。和d 3 的变化关系曲线 f i 9 3 - 1 r e s o n a n ta n g l ev a r yw i t h “4a n dd 3w h e nx 2 7 8 0 n m ，d 2 2 5 8 0 n m 3 2 平面薄膜波导层的共振角和入射光波波长的变化关系 由于入射光波波长的不同，光波在波导层中的共振条件随之相应地发生变 第三章、卜面薄膜波导特性的计算和分析 中国科学技术大学硕i ：论文 化，图3 一l 、3 2 、3 3 分别表示对应波长为7 8 0 n m 、6 7 0 n m 、6 3 2 8 r i m 的共振角 ( r e s o n a n ta n g l e ) 、环境折射率( n 。) 及波导层厚度( d 3 ) 的关系曲线图，此时s i o ： 层厚度d 2 都固定在5 8 0 n m 。 随着入射光波的波长的减小，整个平面薄膜波导层的共振角和被测样品折 射率n 。、波导层厚度d ，的变化关系图向波导层的共振角减小的方向移动。 8 0 告7 5 e7 0 ： 6 5 世 6 0 d 3 ( u m 幽3 - 2 ”l k = 6 7 0 n m ，d 2 = 5 8 0 r ! m 时，共振角随n 4 和d 3 的变化关系曲线 f i 9 3 _ 2 r e s o n a n ta n g l ev a r yw i t hn 4a n dd 3w h e nx = 6 7 0 n m ，d 2 = 5 8 0 n m b 0 尝7 5 芒7 0 詈 墨6 5 口 6 d 幽3 - 3当九= 6 3 28 n m ，d 2 = 5 8 0 n m 时，共振角随n 4 和d 3 的变化关系曲线 f i 9 3 - 3 r e s o n a n ta n g l ev a r yw i t hn 4a n dd 3w h e n2 , = 6 3 2 8 n m ，d 2 = 5 8 0 n m 三! ：! ：堕翌璺鲨! 竺堡些! 簦翌坌塑 ! 里型兰垫查查兰堡! ：堡兰 3 3 平面薄膜波导层的共振角随隔离层( s i o 。层) 厚度d 。 的变化关系 图3 3 、3 4 、3 - 5 表示入射光波波长为九= 6 3 2 8 r i m ，隔离层厚度分别为 d 2 2 5 8 0 n m 、3 8 0 n m 、5 0 0 n m 所对应的共振角、折射率及波导层厚度d ，的关系 曲线图。 8 。 昙7 5 善7 0 25 5 叱 6 0 n 4 100 6 d 3 f u m 幽3 4 当 = 6 3 2 8 n m ，d 2 = 3 8 0 n m 时，共振角随n 4 和d 3 的变化关系曲线 f i 9 3 - 4 r e s o n a n ta n g l ev a r yw i t hr 1 4a n dd 3w h e nx = 6 3 2 8 n m ，d 2 = 3 8 0 n m 8 坠兰已二堕堕蔓堕鎏旦苎苎堕旦苎塑尘堑 ! 里型兰丝查盔兰堡! ：堡茎 8 0 啬巧 焉7 0 5 26 5 旺 6 0 d 3 ( u m 图3 - 5 当 2 6 3 2 8 n m ，d 2 = 5 0 0 n m 时，共振角随n 4 和d 3 的变化关系曲线 f i 9 3 5r e s o n a n ta n g l ev a r yw i t h “4a n d d 3w h e nx 。6 3 28 n m ，d 2 = 5 0 0 n m 图3 - 1 、3 - 6 、3 - 7 分别表示入射光波波长为九= 7 8 0 n m 时，d 2 = 5 8 0 n m 、3 8 0 n m 、5 0 0 i m 所对应的共振角、折射率及波导层厚度d ，的关系曲线图。 由此可知，当入射波长固定时，波导层的共振角受隔离层d ：的厚度变化的 影响很小，在d 2 = 3 8 0 n m - 5 8 0 n m 的变化范围内，波导层的共振角的变化几乎可 以忽略不计。 第三章i t 面薄膜波导特性的计算和分析中困科学技术人学硕l 论义 幽3 - 6 当x = 7 8 0 n m ，d 2 = 3 8 0 n m 时，共振角随n 4 乖】d 3 的变化关系曲线 f i 9 3 - 6 r e s o n a n ta n g l ev a r yw i t hn 4a n dd 3w h e n 2 7 8 0 n m ，d z 2 3 8 0 n m 00 6 d 3 1 u m l 剀3 7 当k = 7 8 0 n m ，d 2 = 5 0 0 n m 时，共振角随n 4 和d 3 的变化关系曲线 f i 9 3 - 7 r e s o n a n ta n g l ev a r yw i t hn 4a n dd 3w h e n 2 7 8 0 n m ，d 2 = 5 0 0 n m 3 4 平面薄膜波导层的传递因子随波导层的厚度d 。，样品折 射率1 1 。的变化关系 通过透过因子可以很直观地看出一个波导结构系统的近场光增强能力，因 此描述传递因子受波导层厚度d ，、样品折射率1 1 。的影响关系对波导传感器的制 作和测量有十分重要的意义。 ：8 砖 加 皓 一e三luu0旺 眄 砖 加 瞄 ibce口u0叱 讹二节、h 血薄j l ；l 波甘特性的计算和分忻中困科学投术人学f 血i j 论上 在实际样品测量中，折射率的大小主要集中在两个区域内，当被测样品是 气体时，样品折射率n 。= 1 0 1 1 ，如图3 - 8 所示；当被测样品是液体时，样品折 射率n 。= 1 3 3 1 4 4 ，如图3 - 9 所示。 d 3 ( u m 00 明 吲3 8 当九= 6 3 18 n m d ：= 5 8 0 n m n 。= 1o 、l l 时，透过【女i - ；i t l 4 l ! 隧n 。和d 3 的变化 1 线 f j 9 3 8i r r l l s m j s s i 。nf a c t o r 【，l4 2 , , a r yv * i t hn 。a n dd ：u h c ni = 6 3 28 n m d ! = 5 8 0 n mn 4 = l0 3 5 0 0 3 0 0 0 2 5 口0 2 0 0 0 1 6 0 0 1 0 0 0 5 口0 0 ( 3 7 4 i 2 图3 - 9 九2 6 3 28 n m d z 。3 8 0 n m 1 3 4 - i3 3 14 4 时，透过j - l ，j 4 i 随n 。和d 3 的叟化帅线 f i 9 3 - 9t r a n s m i s s i o nf a c t o r l “r 。a r ，w i t hn 4a n dd 、v h e n 。6 3 28 n m d c一u一#ou oujz m一一o一dom工一-o m l 0 3 d n 1 u alu旺g；e亡旺兰ljoj罟e罡ljo吕 第三审、r 血薄膜波导特忡的汁算和分析 中因科学技术人学硕1 ：4 义 由图3 8 、3 - 9 可知，当入射光波的波长一定时，随着被测样品折射率n 。的 增加，平面薄膜波导层的透过因子也相应的增大。随着波导层的厚度d ，的增大， 平面薄膜波导层的透过因子相应的减小。 3 5 平面薄膜波导层的透过因子随入射角的变化关系及波导 层厚度d ，的变化关系 图3 1 0 表示入射光波波长为九= 6 3 2 8 n m ，d 2 = 5 8 0 n m 时，平面薄膜波导层的 透过因子随入射角的变化关系及波导层厚度d 、的变化关系图。由图可知，当只 扫描入射角时，波导结构只有一个共振峰，在共振峰上的透过因子很高，偏离 共振峰后，平面薄膜波导层的透过因子迅速降低。当入射光波波长一定时，随 着波导层厚度d 、的减小，波导结构的共振峰向高共振角方向偏移，同时波导结 构在共振峰处的透过因子也有一定程度的增加。 5 75 85 96 06 16 2 i n c i d e n ia n ( 】l e 幽3 1 0 ) l = 6 3 28 n m ，d 2 = 5 8 0 n m 时，透过冈子h f 2 随入射角的变化曲线 f i 9 3 ，1 0 t r a n s m i s s i 。nf a c t o r l t l 4 1 2 v a r y w i t hi n c i d e n ta n g l e w h e nx = 6 3 2 8 n m ，d 2 = 5 8 0 n m 笫二章、卜面薄膜波导特性的计算和分析中困科学拙术人学坝l 。论义 3 6 波导层的光能量损失对共振光强的影响 考虑到波导结构系统很容易受到各种各样的光能量损失，如波导层的吸收， 界面上光线的散射等。我们对这一损失的影响进行了初步的估计( 主要是通过 给波导层的折射率n ，增加一个虚部, 3 ，来反映这一能量损失) 。如图3 一li 所示， 随着，z ，的不断增加( 波导层的能量损失的增加) ，平面薄膜波导层的透过因子 也相应地降低，由图可知，波导层的能量损失对共振光强的影响还是比较显著 的。 002o406 08 112 14 n 3 t o s s ( i m a g e p a r t o fn 3 ) x1 0 3 图3 - 1 1 瓤= 6 3 28 n m ，d 二= 5 8 0 n m 时，透过冈子随光吸收损火月3 的变化曲线 f i 9 3 1 1 t r a n s m i s s i 。nf a c t 。r l t l 4 1 2 v a r y w i t h i m a g ep a n 。f n 3 w h e n l = 6 3 2 8 n m ，d ! = 5 8 0 n m 3 7 平面薄膜波导传感器的精度分析及改进方法 利用平面薄膜波导的特性可以制成角度传感器，这种角度传感器的精度可以 通过这个曲线图3 1 中的曲线斜率大致估算出来。对于气体传感器( 样品折射 率n 。= 1 o 1 1 ) ，样品折射率n 。对波导共振角的斜率约为0 0 5 。我们实验装置的 一4 角度分辨率约为o 0 0 4 。，由此可以估算出实验装置对折射率的分辨率约为1 0 量 级；液体传感器( 样品折射率1 1 。= 1 3 3 一1 4 4 ) 对折射率的变化要更加灵敏一些， 第三章、卜面薄膜波甘特悱的汁算和分析 中困科学技术人学硕f ：论文 一5 其折射率的分辨率可以达到为1 0 量级，从而达到测量样品的折射率微小变化 的目的。同时，这一测量精度还可以通过极化调制、干涉技术( 位相测量) 4 8 ，4 9 】 等手段进一步提高到l o 8 量级。 3 8 平面薄膜波导结构特性理论分析小结 本文根据平面波导结构模型，从理论上研究了波长、入射角、膜厚、折射率、 吸收系数等因素对共振模式与平面薄膜波导层的透过因子、近场光强度的影响。 同时考虑到波导共振在生物、化学传感器方面的广泛应用，特别针对折射率为 n 4 = 1 o 1 1 的气态样品和n 。= 1 3 3 1 4 4 的液态样品对平面薄膜波导传感器的灵 敏度进行了定量的分析，认为以测量共振角方式检测样品折射率变化，对气体 1 4 5 折射率的分辨率可达到1 0 量级，对液体折射率还可达1 0 量级，为波导传感 器的制作和后续的相关实验提供了重要的指导依据。 第章、卜面波导共振实验研究 中固科学技术大学颀l 论业 第四章平面波导共振实验研究 4 1 棱镜材料、薄膜材料的选定 由于平面波导共振技术传感器相对表面等离子体( s p r ) 技术传感器来说还不 够成熟，因此，在实验初期对各类可选材料性能的全面了解和审慎选择是十分重要 的，只有在充分的调研和反复的实验探索之后才能找到比较理想的实验材料。 材料的选取原则：基础棱镜材料的折射率要很高，最好大于1 9 。中间膜层的折 射率要非常低，最好小于1 4 。而外膜层( 波导层) 的折射率要很高，大于2 0 。 材料的光学吸收，化学稳定性也是重点考虑问题。 选用高折射率玻璃材料或各向同性的晶体材料用于制作棱镜。中间层薄膜 材料选用高透过率低折射率的氧化物或氟化物，如s i o ：, ，m g e 。等。而波导材料 选用高透过率高折射率的氧化物t 如t i o ：、z r o ：、y ：o 。、i n ：0 。等。通过射频溅 射或电子枪加热镀膜。 4 2 镀膜工艺的选择 4 2 1 常用镀膜工艺简介 平面薄膜波导的制作对镀膜有较高的工艺要求，采用良好的镀膜工艺和反复 的实验校准，才能最终制作出比较满意的膜层。通常可选用的镀膜工艺有多种， 常用的有：电子束蒸发，离子束沉积( i b a d ) ，射频溅射( r fs p u t t e r ) 等。 电子束蒸发 5 0 电子束蒸发是将清洁处理过的工件于真空环境中或等离子环境中的表面成 膜技术。按工艺流程划分，膜层的生成必须经过固体一气体一固体三个阶段。即 把需要蒸发的固体材料，通过某种形式，使之加热溶解至气化( 有的材料不经熔解 便直接气化，称为升华) 最后沉积下来又成为固体的膜层。在此期间，由于由气 体变成固体时，恢复不到原来固体的结晶状态，而一般形成非晶质，其中还夹 杂有其它的不纯物。电子束蒸发方法中，将蒸镀材料放入水冷铜坩埚中，直接用电 子束加热，它具有如下优点： ( 1 ) 热可直接加在蒸发料上。 ( 2 ) 盛放蒸发料的容器可以是冷的，这就避免了容器的参加反应和容器材料的 第州章、r 曲波导共振实验研究中圆科学技术人学硕i ：论立 不必要的蒸发。 ( 3 ) 可以蒸发诸如钽和钨等高温会属。 ( 4 ) 由于加热法只是蒸发料，因此，蒸发源的辐射热减少了。 缺点： ( 1 )装置较复杂。 ( 2 )多数化合物由于电子轰击而部分分解。 ( 3 1残余气体分子和蒸发料蒸汽的部分会被电子电离。 离子束辅助沉积( i o nb e a ma s s i s t e dd e p o s i t i o n ，简称i b a d ) 离子束辅助沉积i b a d 是近些年出现的一种新的镀膜工艺，它把物理气相沉 积( 如热蒸发、电子束蒸发、离子溅射) 和离子束轰击结合于一起。由于荷能离 子与沉积原子的级联碰撞效应，增加了沉积原子的迁移能力，减轻或消除成膜 过程中的阴影效应。荷能离子的轰击还会使沉积原子与基体原子间相互扩散， 提高膜层与基片的附着力，从而可在低温甚至室温下镀制出均匀性强、聚集密 度高、膜基结合好的高质量膜层。轰击用离子源一般使用考夫曼离子源，离子 束能量从几十到几千电子伏特，轰击离子一般为氩离子或氮离子。离子束辅助 沉积技术初期报导最多和最成功的是镀制光学膜方面与热蒸发法连用。热蒸镀 技术的优点是设备简单，并可容易地镀制多种物质，但利用热蒸镀法沉积出的 光学膜层常是疏松的柱状结构、抗湿性、耐磨性不能满足许多领域对膜层高可 靠和长寿命的要求。而简单的在热蒸镀中加入离子枪，进行离子柬辅助沉积， 则可镀制出高质量的光学膜。离子束辅助沉积技术一般在常温( 或低温) 下及真 空中进行，整个过程是洁净的，没有环境污染；对材料本体无影响、无附着问 题：并具有可靠性高及重复性好的优点。 射频溅射镀膜( r a d i of r e q u e n c ys p u t t e r ) 5 0 当高能粒子( 通常是由电场加速的正离子) 冲击固体表面时，固体表面的原 子、分子与这些高能粒子交换动能，从而由固体表面飞溅出来，这种现象叫做溅 射。溅射是在二极溅射的辉光放电中产生的，因此辉光放电是溅射的基础。辉光 放电是在真空度约为1 0 。1 0 4 t o r r (