CN113418604A - 布洛赫表面波激发器、纳米颗粒光谱仪及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于纳米颗粒的布洛赫表面波激发器，其用于光谱仪，包括一玻璃基底以及排布在该玻璃基底上的布拉格反射单元，所述布拉格反射单元由高折射率介质层和低折射率介质层交替堆叠而成，其顶层为缺陷层，且所述顶层的表面设有纳米颗粒。本发明还提供了相应的光谱仪及其测量方法。本发明的布洛赫表面波激发器使得光谱仪的面内尺寸能够达到纳米级别，可以测量较小的光源信号。并且，本发明制备方法简单，成本低廉。另外，本发明的光谱仪在使用时，对入射光谱要求简单，对入射光谱偏振没有要求。同时，本发明只需要拍摄一次后焦面图，不仅操作简单，而且节省时间。
Description
技术领域
本发明涉及光谱学技术领域，更具体地涉及一种布洛赫表面波激发器、布洛赫表面波调制的纳米颗粒光谱仪及其测量方法。
背景技术
光谱学是工业过程和基础科学研究中应用最广泛的技术之一，其应用领域包括水质监测、土壤科学、矿物质检测、高光谱成像和医学疫苗研究等。光谱仪是用于光谱检测的设备，在使用过程中，要求光谱仪具备超紧凑、低成本和省时间的优点。传统的光栅光谱仪如图1所示，这种光谱仪对光子效率、分辨率和光谱范围均有限制，且其内部光学元件的尺寸较大，限制了光谱仪尺寸的缩减。因此，需要研制一种能够缩小至纳米尺寸的新的光谱仪。
表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons，SPPs)是存在于结构表面的一种局域性电磁波，对电磁场具有很好的约束能力，同时具有亚波长传播、局域场增强及对周围环境高度敏感等优势。并且，由于表面等离激元共振对周围分析物折射率的灵敏特性，其被广泛用于实验室测量生物分子之间的引力和动力分析。SPR的场增强作用已经应用于增强荧光或拉曼光谱，这是一种发展高灵敏度的实时光谱测量方法。然而，由于SPPs的波长分辨率较低，求解逆问题，即从纳米结构中直接获取入射光束的光谱、近场荧光和拉曼信号是非常困难的。
布洛赫表面波(Bloch Surface Wave，BSWs)可被看作SPPs的替代物，其存在于周期性高低折射率介质材料交替组成的多层介质膜与周围空气界面，是一种新型的基于全介质微纳结构的表面波。BSWs具有SPPs的场局域性优势，同时相比于SPPs，具有低损耗、TE和TM模式兼容、可在CMOS材料平台上制备、灵活的色散特性等优势，能激发BSWs的色散元件可应用于光谱仪中。目前，激发BSW常用的方式包括光栅散射法、不对称狭缝散射法和银纳米线散射法。采用光栅散射法激发BSW的元件散射效率高，但尺寸较大，不利于集成。采用不对称狭缝散射法激发BSW的元件可作为单向耦合器，但是其结构设计复杂，尺寸也相对较大。采用银纳米线散射法激发BSW的元件成本低廉，但其容易氧化而使得寿命较短、稳定性差，并且同样存在尺寸较大的问题。同时，上述三种元件在激发BSW时，均对入射光有一定要求，且这三种装置的制备方法均较为复杂，无法批量制备，成本较高。
发明内容
为解决上述现有技术中的，本发明提供一种布洛赫表面波激发器、布洛赫表面波调制的纳米颗粒光谱仪及其测量方法，能够将光谱仪缩小至纳米尺寸。
一种基于纳米颗粒的布洛赫表面波激发器，其用于光谱仪，包括一玻璃基底以及排布在该玻璃基底上的布拉格反射单元，所述布拉格反射单元由高折射率介质层和低折射率介质层交替堆叠而成，其顶层为缺陷层，且所述顶层的表面设有纳米颗粒。
进一步地，所述纳米颗粒通过物理压碎法布设于所述顶层的表面。
优选地，所述纳米颗粒为Si纳米颗粒。
优选地，所述纳米颗粒的尺寸为94nm。
进一步地，所述顶层的材质与所述低折射率介质层的材质相同。
优选地，所述高折射率介质层的每一层的厚度均为88nm。
优选地，所述低折射率介质层的每一层的厚度均为105nm。
本发明还提供一种布洛赫表面波调制的纳米颗粒光谱仪，其沿待测光谱信号走向依次包括入射物镜、色散元件、收集物镜、收集透镜以及成像相机，所述色散元件为上述的基于纳米颗粒的布洛赫表面波激发器。
本发明还提供一种布洛赫表面波调制的纳米颗粒光谱仪的测量方法，其特征在于，包括：步骤S1，提供上述的布洛赫表面波调制的纳米颗粒光谱仪；步骤S2，将已知光谱照射至所述布洛赫表面波调制的纳米颗粒光谱仪的色散元件，通过成像相机获取所述色散元件的后焦面图，并从获取的后焦面图中提取布洛赫表面波部分；步骤S3，选择一定的波长范围，在该波长范围内以一固定的间隔在提取的布洛赫表面波部分中进行采样，获取与波长相关的光谱库；步骤S4，将待测光谱照射至所述色散元件，通过所述成像相机再次获取所述色散元件的后焦面图，从再次获取的后焦面图中再次提取布洛赫表面波部分，并将再次提取的布洛赫表面波部分转换为列向量；步骤S5，根据所述光谱库以及所述列向量，求解出待测光谱。
优选地，所述步骤S3中的波长范围为550nm-680nm。
优选地，所述步骤S3中的间隔为1nm。
本发明提供了一种基于纳米颗粒的布洛赫表面波激发器，纳米颗粒的尺寸仅为100nm左右，利于集成，使得利用所述布洛赫表面波激发器作为色散元件的光谱仪的面内尺寸能够达到纳米级别，可以测量较小的光源信号。并且，本发明采用物理压碎法制备纳米颗粒，制备方法简单，成本低廉，能够批量制备。另外，本发明的光谱仪在使用时，对入射光谱要求简单，对入射光谱偏振没有要求。同时，本发明只需要拍摄一次后焦面图，不仅操作简单，而且节省时间。
附图说明
图1是传统的光栅光谱仪的结构示意图。
图2是按照本发明的布洛赫表面波调制的纳米颗粒光谱仪的结构示意图。
图3是图2中基于纳米颗粒激发BSW的光学芯片的结构示意图。
图4是图3的截面图。
图5(a)是FDTD模拟的本发明的色散元件激发的BSW的表面光场分布情况，图5(b)是FDTD计算的远场角谱图案，图5(c)为图5(b)对应的实验结果
图6(a)-图6(h)是按照本发明的布洛赫表面波调制的纳米颗粒光谱仪的使用过程原理图。
图7(a)-图7(f)是对图6(h)进行光谱重构的结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
如图2所示，按照本发明的布洛赫表面波调制的纳米颗粒光谱仪，沿待测光谱信号走向依次包括入射物镜1、色散元件2、收集物镜3、收集透镜4以及成像相机5。光谱照射至入射物镜1，并汇聚入射到色散元件2中，激发色散元件2产生BSW，泄露的光场由收集物镜3收集，通过收集透镜4聚焦后传递给成像相机5。
其中，色散元件2为一种基于纳米颗粒的布洛赫表面波激发器(即激发BSW的光学芯片)，如图3和图4所示，色散元件2包括玻璃基底21、布拉格反射单元22以及纳米颗粒26。其中，布拉格反射单元22排布在玻璃基底21上，纳米颗粒26设于布拉格反射单元22的顶层25，布拉格反射单元22和纳米颗粒26共同作用激发BSW。
布拉格反射单元22由高折射率介质层23和低折射率介质层24交替堆叠而成，顶层25为缺陷层。高折射率介质层23和低折射率介质层24构成周期性结构，由于周期性结构的顶端设有缺陷层，因而会产生一缺陷场，该缺陷场即为BSW。高折射率介质层23和低折射率介质层24的材质和厚度可根据实际需要进行不同设置。在本实施例中，高折射率介质层23的材质为Si3N4，厚度为88nm；低折射率介质层24的材质为SiO2，厚度为105nm。顶层25的材质与低折射率介质层24的材质相同，其厚度可根据实际需要进行不同设置，在本实施例中，顶层25的厚度为240nm。如此，可使本发明的光谱仪测量波长范围在550-680nm之间的光谱。在其他实施例中，针对不同波长范围的光谱，可设置其他厚度的高折射率介质层23、低折射率介质层24和顶层25。另外，也可根据环境的不同设置其他厚度的高折射率介质层23、低折射率介质层24和顶层25。
纳米颗粒26通过物理压碎法设于顶层25：将纳米颗粒26压碎成粉末，将粉末溶解在酒精溶剂中，然后利用匀胶机旋涂在顶层25表面。这种方法操作简单、价格低廉，能够批量制备适用于激发器的纳米颗粒。纳米颗粒26可采用具有高折射率的金属材料或其他散射性强的材料，例如Au纳米颗粒、TiO2纳米颗粒等。在本实施例中，纳米颗粒26采用Si纳米颗粒。纳米颗粒26的尺寸在100nm左右，在本实施例中，纳米颗粒26的尺寸为94nm，在减小尺寸的同时能够实现较精确的测量。在其他实施例中，也可根据实际情况将纳米颗粒26设置为不同尺寸。如此，本发明可以实现纳米尺寸的用于激发BSW的器件，从而使得光谱仪的面内尺寸达到纳米级别，可以测量较小的光源信号。并且，由于纳米颗粒是各项同性结构，任意偏振的入射光都可以激发BSW，因而本发明的色散元件2对入射光的要求简单，对入射光偏振没有要求。本发明的光谱仪的分辨率为2nm，量程为130nm。
本发明的色散元件2的实验结果如图5(a)-(c)所示，在图5(a)中，白色箭头方向为入射光偏振方向，x、y是空间场分布。BSW的激发原理为：高斯光场垂直入射到纳米颗粒，纳米颗粒对入射光场散射。当满足动量匹配时，就会激发BSW，BSW沿着纳米颗粒径向方向传输。当入射光偏振沿着竖直方向时，纳米颗粒散射方向的最强区是垂直于入射光的偏振方向，与偏振方向平行时则为激发BSW最弱区，即表面激发场会有部分暗线。在图5(b)中，kx/k0、ky/k0分别是BSW在x方向的波矢以及在y方向的波矢分布。BSW在表面传输时，会以一定角度耦合到远场，反应在远场图像上是一个圆弧。当入射光是偏振光时，BSW在远场呈现两个板弧，中间最强的光斑是入射的高斯光场，在0度角附近入射。在图5(c)中，白色的实线双箭头是入射高斯光场的偏振方向，白色亮弧是BSW，中间白色部分是入射高斯光场，入射波长是620nm。
本发明还提供一种布洛赫表面波调制的纳米颗粒光谱仪的测量方法，包括如下步骤：
步骤S1，提供上述的布洛赫表面波调制的纳米颗粒光谱仪。
步骤S2，将已知光谱照射至色散元件2，通过成像相机5获取色散元件2的后焦面图，如图6(a)所示，并从获取的后焦面图中提取布洛赫表面波部分。需要说明的是，由于色散元件2中的纳米颗粒26是各项同性结构，因而本发明的光谱仪对入射光谱的要求简单，对入射光谱偏振没有要求。
步骤S3，选择一定的波长范围，在该波长范围内以一固定的间隔在提取的布洛赫表面波部分中进行采样，采样后可构成如图6(b)所示的色散图，该色散图对应的数据形式如图6(c)所示，如此，就获得了一与波长相关的光谱库E。在本实施例中，波长范围为550nm-680nm，间隔为1nm。
步骤S4，将待测光谱α照射至色散元件2，通过成像相机5再次获取色散元件2的如图6(d)所示的后焦面图，从再次获取的后焦面图中再次提取如图6(e)所示的布洛赫表面波部分，并将再次提取的布洛赫表面波部分转换为如图6(f)所示的列向量I。
步骤S5，根据步骤S3获得的光谱库E以及步骤S4获得的列向量I，求解出待测光谱α。一般来说，通过公式E×α＝I即可求解出α，但是由于E和I在测量时均有误差，直接求解无法得出待测光谱，需要用智能迭代算法求解得到α，求解结果如图6(h)所示。
图7(a)-图7(f)是对图6(h)进行光谱重构的结果示意图，其证明了本发明可实现未知光谱的测量，待测的未知光谱既包括单个窄带的波长，也包括宽带的光谱。图7(a)是550、580、600、630和650nm五个波长的单波长重构结果，图7(b)是放大的600nm波长下的重构结果，图7(c)是630和635nm双波长的重构结果，图7(d)是580、585和590nm三波长的重构结果，图7(e)是580-630nm下六个波长的重构结果，图7(f)是580-640nm下7个波长的重构结果，其中630nm波长的强度与其它波长不等。
通过上述步骤可以看出，本发明的光谱仪在使用时，无需用待测光斑扫描光栅的位置对待测光谱测量，只需要拍摄一次后焦面图，将BSW部分提取后根据光谱库对待测光谱求解即可。相比于现有的光谱仪使用方法，不仅操作简单，而且节省时间。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (11)
1.一种基于纳米颗粒的布洛赫表面波激发器，其用于光谱仪，其特征在于，包括一玻璃基底以及排布在该玻璃基底上的布拉格反射单元，所述布拉格反射单元由高折射率介质层和低折射率介质层交替堆叠而成，其顶层为缺陷层，且所述顶层的表面设有纳米颗粒。
2.根据权利要求1所述的基于纳米颗粒的布洛赫表面波激发器，其特征在于，所述纳米颗粒通过物理压碎法布设于所述顶层的表面。
3.根据权利要求1所述的基于纳米颗粒的布洛赫表面波激发器，其特征在于，所述纳米颗粒为Si纳米颗粒。
4.根据权利要求1所述的基于纳米颗粒的布洛赫表面波激发器，其特征在于，所述纳米颗粒的尺寸为94nm。
5.根据权利要求1所述的基于纳米颗粒的布洛赫表面波激发器，其特征在于，所述顶层的材质与所述低折射率介质层的材质相同。
6.根据权利要求1所述的基于纳米颗粒的布洛赫表面波激发器，其特征在于，所述高折射率介质层的每一层的厚度均为88nm。
7.根据权利要求1所述的基于纳米颗粒的布洛赫表面波激发器，其特征在于，所述低折射率介质层的每一层的厚度均为105nm。
8.一种布洛赫表面波调制的纳米颗粒光谱仪，其沿待测光谱信号走向依次包括入射物镜、色散元件、收集物镜、收集透镜以及成像相机，其特征在于，所述色散元件为根据权利要求1-7之一所述的基于纳米颗粒的布洛赫表面波激发器。
9.一种布洛赫表面波调制的纳米颗粒光谱仪的测量方法，其特征在于，包括：
步骤S1，提供根据权利要求8所述的布洛赫表面波调制的纳米颗粒光谱仪；
步骤S2，将已知光谱照射至所述布洛赫表面波调制的纳米颗粒光谱仪的色散元件，通过成像相机获取所述色散元件的后焦面图，并从获取的后焦面图中提取布洛赫表面波部分；
步骤S3，选择一定的波长范围，在该波长范围内以一固定的间隔在提取的布洛赫表面波部分中进行采样，获取与波长相关的光谱库；
步骤S4，将待测光谱照射至所述色散元件，通过所述成像相机再次获取所述色散元件的后焦面图，从再次获取的后焦面图中再次提取布洛赫表面波部分，并将再次提取的布洛赫表面波部分转换为列向量；
步骤S5，根据所述光谱库以及所述列向量，求解出待测光谱。
10.根据权利要求9所述的布洛赫表面波调制的纳米颗粒光谱仪的测量方法，其特征在于，所述步骤S3中的波长范围为550nm-680nm。
11.根据权利要求9所述的布洛赫表面波调制的纳米颗粒光谱仪的测量方法，其特征在于，所述步骤S3中的间隔为1nm。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN116907795A (zh) * | 2023-06-26 | 2023-10-20 | 武汉量子技术研究院 | 泄露等离激元模式的多维度表征方法及装置 |
| CN116907795B (zh) * | 2023-06-26 | 2023-12-29 | 武汉量子技术研究院 | 泄露等离激元模式的多维度表征方法及装置 |
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