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CN106773101B - 一种基于光栅对耦合激发bsw实现无衍射光束的光学芯片 - Google Patents

一种基于光栅对耦合激发bsw实现无衍射光束的光学芯片 Download PDF

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CN106773101B
CN106773101B CN201710178129.5A CN201710178129A CN106773101B CN 106773101 B CN106773101 B CN 106773101B CN 201710178129 A CN201710178129 A CN 201710178129A CN 106773101 B CN106773101 B CN 106773101B
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张斗国
朱良富
邱冬
向益峰
王沛
明海
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    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
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Abstract

本发明公开了一种基于光栅对耦合激发BSW实现无衍射光束的光学芯片，包括玻璃基底层，由高低折射率介质交替组成的布拉格反射单元，以及布拉格反射单元表面刻蚀的光栅对；置于布拉格反射单元表面的光栅对，激发后两束表面波发生干涉，从而实现无衍射布洛赫表面波(BSW)光束的生成。该光学芯片具有结构紧凑，高集成度，微型化的特点，在光束整形，纳米光学操作方面有着重要的应用。

Description

一种基于光栅对耦合激发BSW实现无衍射光束的光学芯片
技术领域
本发明涉及全介质的无衍射光的生成的技术领域，具体涉及一种基于光栅对耦合激发BSW实现无衍射光束的光学芯片。
背景技术
布洛赫波(BSW)存在于光子晶体缺陷层与周围介质层的表面，可以被看成是低损耗和高局域性表面等离子体(SPP)的类似物。与SPP类似，BSW应用于纳米级光路，化学以及生物传感、气体传感、荧光辐射增强和表面增强拉曼散射(SERS)等。BSWs与SPP有以下区别：(1)BSWs没有金属的吸收损耗，因此布洛赫波有高的质量因子以及长的传播长度；(2)能制作光子晶体的介质材料有多种选择，因此可制作出深紫外到近红外波段的BSWs，然而SPPs在紫外波段以及可见波段的传输损耗非常高；(3)荧光在金属表面淬灭的厉害，然而在介质表面就不会存在这个问题。
SPPs和BSWs在界面传播的时候都有衍射问题存在，这导致光在传输的时由于波包的横向扩展而导致的基片元件之间的耦合损耗。在过去几年中，随着等离子体技术的发展，研究人员提出了许多种产生非衍射光的方法，例如在金属膜上刻周期性光栅，用空间光调制器产生等离子体艾里光；在金属膜上刻写有光栅对，这样可以产生余弦高斯等离子体光束；利用楔形的金属介质金属结构可以将等离子体艾里光变成线型光。这些结构的光学芯片都存在着一定的局限性，其主要存在的问题为：(1)损耗大。金属介电常数的虚部很大，利用金属结构实现无衍射光束的光学芯片，其损耗很大，降低了无衍射光束的传输长度。(2)实用性差。无衍射光的自弯曲效应以及传输距离短等特点都极大的降低了其在实用过程中的使用效果。
发明内容
本发明的目的克服金属的吸收损耗，利用介质光栅对与布拉格反射单元的耦合，实现全介质的无衍射光，是一款结构简单，低加工成本的光学芯片。
本发明实现上述目的的技术方案如下：
一种基于光栅对耦合激发BSW实现无衍射光束的光学芯片，该光学芯片包括玻璃基底、布拉格反射单元、光栅对和去离子水；其中，所述的布拉格反射单元、去离子水依次排放在玻璃基底上；所述光栅对置于布拉格反射单元顶层内；所述的布拉格反射单元和光栅对与去离子水之间会产生BSW光束，光栅对所产生的两束BSW发生干涉产生无衍射BSW光束。
其中，所述的布拉格反射单元由高折射率介质Si3N4层和低折射率介质SiO2层交替组成，顶层为SiO2缺陷层，一共14层。
其中，所述的布拉格反射单元中交替的Si3N4、SiO2以及缺陷层厚度均可调，以控制布拉格反射单元的反射曲线，调节BSW耦合出射共振峰的位置。
其中，所述的光栅对周期为460nm，线宽为200nm，深度为100nm，长度为30μm，周期个数为20个，光栅对夹角为170度，可以通过改变光栅对的长度和角度角度来改变无衍射光束的长度，通过改变光栅对的深度和线宽来改变耦合效率。
本发明技术方案的原理为：一种基于光栅对耦合激发BSW实现无衍射光束的光学芯片，该光学芯片包括玻璃基底、布拉格反射单元、刻在布拉格反射单元顶层的光栅对和去离子水；其中，所述的布拉格反射单元和光栅对以及去离子水被激光激发后会产生两束BSW，两束BSW干涉产生无衍射光波；利用聚焦离子束刻蚀的方法刻写的在布拉格反射单元顶层的两组光栅夹角可变，周期可变，线宽可变，深度可变，位置可变，单缝长度可变；光栅对的周期与布拉格反射单元的BSW的波长匹配，可以达到最大的耦合效率；光栅对的深度和线宽改变，可以提高BSW的耦合效率；在无衍射BSW路径上刻写小孔障碍物，无衍射BSW会产生自修复现象；改变小孔的大小，可以改变自修复距离。
在多层介质膜组成的布拉格反射单元会产生BSW，激光打在光栅对上会耦合激发BSW，两个光栅有一定的夹角，因此两束布洛赫波会重叠，重叠的部分发生干涉，形成无衍射光波。
本发明和传统技术相比的特点为：
(1)表面结构简单：仅需在布拉格反射单元顶层刻写有一定夹角的两组光栅以及特定位置的小孔；
(2)易于加工：对于光栅对的位置，缝长、深度、线宽等没有严格的要求，这在很大程度上降低了加工的难度；
(3)实用性强：衍射光波传输的路径上放置障碍物，无衍射光波能很快的自修复，增加了无衍射光束的实用性。
附图说明
图1为本发明一种基于光栅对耦合激发BSW实现无衍射光束生成的光学芯片的结构立体示意图；
图2为本发明一种基于光栅对耦合激发BSW实现无衍射光束生成的光学芯片的结构切面示意图；
图3为利用该芯片得到的无衍射余弦高斯布洛赫波光束实验前焦面像，后焦面像，理论前焦面像，理论和实验的强度轮廓图，单个光栅激发表面布洛赫波前焦面像，其中，图3(a)为无衍射BSW生成的像面图，图3(b)和图3(d)分别为实验和理论得到的无衍射光束横截面的拟合示意图，图3(c)为用FDTD模拟的结果示意图，图3(e)为单个光栅激发的情况示意图，图3(f)为和图3(g)分别为图3(a)和图3(e)对应的后焦面图。
附图标记含义为：1为玻璃基底，2为布拉格反射单元，3为光栅对，4为去离子水，5为Si3N4层，6为SiO2层，7为SiO2缺陷层。
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。
实施例1：
参照图1-2所示的一种基于光栅对耦合激发BSW实现无衍射光束的光学芯片，包括玻璃基底1，布拉格反射单元2，光栅对3，去离子水4。其中布拉格反射单元由66nm Si3N4层5和110nm的SiO2层6交替组成，顶层的SiO2缺陷层7厚度为450nm。刻有光栅对的周期为460nm，角度为170°，深度为100nm，线宽为200nm。布拉格反射单元表面BSW的波矢460nm，与光栅对的周期相匹配。633nm激发光从光学芯片上方入射，与布拉格反射单元以及光栅对耦合产生无衍射BSW，无衍射BSW与激发光以不同角度辐射下来，BSW角度为64度，我们可以通过图3(f)和图3(g)后焦面图推出辐射角度。图3(a)是无衍射BSW生成的像面图，图3(c)是用FDTD模拟的无衍射光束的结果，图3(e)是单个光栅激发的情况。图3(b)和图3(d)分别为实验和理论结果的无衍射光束横截面的拟合可以看到不同传播位置处的半高宽不变，而且实验和理论的半高宽一致，横截面曲线拟合图可以很直观的看出无衍射BSW光的无衍射特性。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (4)

1.一种基于光栅对耦合激发BSW实现无衍射光束的光学芯片，其特征在于：该光学芯片包括玻璃基底(1)、布拉格反射单元(2)、光栅对(3)和去离子水(4)；其中，所述的布拉格反射单元(2)、去离子水(4)依次排放在玻璃基底(1)上；所述光栅对(3)置于布拉格反射单元(2)顶层内；所述的布拉格反射单元(2)和光栅对(3)与去离子水(4)之间会产生BSW光束，光栅对(3)所产生的两束BSW发生干涉产生无衍射BSW光束。
2.根据权利要求1所述的一种基于光栅对耦合激发BSW实现无衍射光束的光学芯片，其特征在于：所述的布拉格反射单元(2)由高折射率介质Si3N4层(5)和低折射率介质SiO2层(6)交替组成，顶层为SiO2缺陷层(7)，一共14层。
3.根据权利要求1所述的一种基于光栅对耦合激发BSW实现无衍射光束的光学芯片，其特征在于：所述的布拉格反射单元(2)中交替的Si3N4、SiO2以及缺陷层厚度均可调，以控制布拉格反射单元的反射曲线，调节BSW耦合出射共振峰的位置。
4.根据权利要求1所述的一种基于光栅对耦合激发BSW实现无衍射光束的光学芯片，其特征在于：所述的光栅对(3)周期为460nm，线宽为200nm，深度为100nm，长度为30μm，周期个数为20个，光栅对夹角为170度，可以通过改变光栅对的长度和角度角度来改变无衍射光束的长度，通过改变光栅对的深度和线宽来改变耦合效率。
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