一种波导导模及其共振颗粒形成阵列的装置和方法与流程-k8凯发

本发明涉及一种波导导模，具体涉及一种波导导模及其共振颗粒形成阵列的装置和方法。

背景技术：

微结构的加工，包括微米纳米颗粒的自组装排列等技术，往往依赖于高精密的加工设备，比如电子束刻蚀，光刻等技术，因此加工成本相对很高，很难实现大规模批量生产，并且加工过程很长。

光镊技术是美国科学家于1986年发明的。光镊又称为单光束梯度光阱。简单而言，就是用一束高度汇聚的激光形成的三维势阱来俘获，操纵控制微小颗粒。自诞生以来，光镊技术已经在微米尺度量级颗粒的操纵控制，颗粒间的相互作用等方面的研究中发挥了重要作用。

目前的光镊技术可以一次性实现数百个光学势阱。即便这样，利用光镊技术一次性可以操控的颗粒也是有限的。要使用光镊技术来实现亚微米颗粒的大面积排列的规则结构还是不可行的。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种同时捕获溶液中大量颗粒，并且实现颗粒的周期性规则排列的波导导模及其共振颗粒形成阵列的装置和方法。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种波导导模，设有前端金属层和后端金属层的玻璃空腔底部设有出液口，所述前端金属层和后端金属层相互平行，所述玻璃空腔内容纳带颗粒的溶液。

上述颗粒的粒径为微米级或纳米级。

上述玻璃空腔的厚度为0.1-3毫米。

上述前端金属层的厚度为30-40纳米。

上述后端金属层的厚度大于100纳米。

上述前端金属层和后端金属层的金属相同。

上述出液口接蠕动泵。

一种利用波导导模共振颗粒形成阵列的装置，光源装置将一定波长的入射光以一定入射角照射波导导模，反射光由光信号接收装置接收；

所述光源装置包括依次串联的激光器、小孔光阑、偏振片、小孔光阑；

所述光信号接收装置包括依次串联的电脑和光电二极管，光电二极管接收反射光。

上述波导导模设置在由电机驱动的角度旋转台上。

一种利用波导导模共振颗粒形成阵列的方法，包括以下步骤：

s1、在玻璃空腔内注入溶解颗粒的溶液；

s2、打开激光器，光线依次经小孔光阑、偏振片、小孔光阑照射波导导模，反射光由光电二极管接收，并反馈至电脑；电脑通过反射光的强度监控光反射率；

s3、调整参数，包括通过激光器调节入射光波长、通过偏振片调节偏振状态、通过角度旋转台调节入射角度，使得某一种偏振的导模激发，使得步骤s3中的反射率为0；

s4、保持步骤s3中的参数不变的情况下，用蠕动泵抽出玻璃空腔中的溶液至完全排空后；波导片放入烘箱内烘干；

s5、在显微镜下观察玻璃空腔两内侧壁上的颗粒吸附情况，即为共振颗粒形成的一维周期性阵列结构。

本发明的一种波导导模利用双面包覆金属层的波导结构来激发导模中振荡场分布的超高阶导模，再利用蠕动泵来改变玻璃空腔中溶液的液面高度，随着液面高度的连续降低，导模的耦合条件也会发生周期性变化，即光能会在完全耦合进导波层和完全反射这两个状态之间来回切换。

当导模激发的时候，在液面上存在很强的场强分布，因此大量的颗粒被俘获在液面的附近，而当光能没有耦合进波导的时候，在液面附近的颗粒数很少，因此在玻璃空腔的内壁上留下了颗粒数高和颗粒数低的不同区域。

本发明的有益之处在于：

1、本发明的一种波导导模用光波导中的导模来代替传统光镊效应中的汇聚光束来实现对溶液中大量颗粒的同时捕获，并且提供了一种利用波导导模在基片上实现颗粒的周期性规则排列的装置和方法。

2、通过利用波导中的导模场来实现对液体中亚微米颗粒的大量、大面积的操控；通过改变溶液的液面高度，来实现对导模耦合效率的调制，即随着液面高度持续降低，导模的耦合效率表现出周期性变化，因此在液面附近颗粒的俘获效率也呈现周期性变化，最终在内壁上留下周期性分布的颗粒自组装结构。这种周期性结构可以用作光栅，或者用作拉曼检测的基片等。

3、本发明的双面金属包覆的波导结构的导模激发条件与各种条件参数密切相关，包括入射光波长、入射角度、偏振状态、以及波导的结构参数，通过改变这些参数，可以实现对最终微结构的调制。

本发明的一种波导导模及其共振颗粒形成阵列的装置和方法，结构简单，操作方便，制成维护成本低，使用范围广，具有很强的实用性和广泛的适用性。

附图说明

图1为本发明的一种波导导模的结构示意图。

图2为本发明的一种波导导模共振颗粒形成阵列的装置的结构示意图。

图3为本发明的实施例1烘干后的空腔玻璃内壁的sem电镜图。

图4为无入射光照射下的玻璃空腔内壁上的颗粒随重力分布sem电镜图。

图5是在水平玻片上溶液烘干后形成的颗粒分布的sem电镜图。

附图中标记的含义如下：1、前端金属层，2、后端金属层，3、玻璃空腔，4、出液口，5、液体，6、颗粒，7、激光器，8、小孔光阑，9、偏振片，10、导模，11、旋转台，12、蠕动泵，13、光电二极管，14、电脑。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

一种波导导模，厚度为0.1-3毫米的玻璃空腔内容纳带微米或纳米级颗粒的溶液，设有30-40纳米后的前端金层，和大于100纳米厚度的后端金层，底部的出液口接蠕动泵。

前端金层和后端金层相互光学平行。

一种利用波导导模共振颗粒形成阵列的装置，包括由依次串联的激光器、小孔光阑、偏振片、小孔光阑组成的光源装置，由电脑和光电二极管串联组成的光信号接收装置，和设置在由电机驱动的角度旋转台上的波导导模。

光源装置将一定波长的入射光以一定入射角照射波导导模，反射光由光电二极管接收，电脑通过光电二极管监控光的反射率。

一种利用波导导模共振颗粒形成阵列的方法，包括以下步骤：

s1、在玻璃空腔内注入溶解微米颗粒的液体；

s2、打开激光器，光线依次经小孔光阑、偏振片、小孔光阑照射波导导模的前端金层，反射光由光电二极管接收，并反馈至电脑；电脑通过反射光的强度监控光反射率；

s3、调整参数，包括通过激光器调节入射光波长、通过偏振片调节偏振状态、通过角度旋转台调节入射角度，使得导模激发，即步骤s3中的反射率为0；

s4、保持步骤s3中的参数不变的情况下，用蠕动泵抽出玻璃空腔中的溶液至完全排空后；波导片放入烘箱内烘干；

s5、在显微镜下观察玻璃空腔两内侧壁上的颗粒吸附情况，即为共振颗粒形成的一维周期性阵列结构。

实际使用时，可通过加入压电陶瓷片，利用压电效应，在应用的时候调整比如厚度，折射率等参数；或，因为波导是液芯波导，可选用不同的溶液，相当于改变了导波层的折射率，达到调整导模的结构参数的目的，同样可使得导模激发，即步骤s3中的反射率为0。

实施例1

采用0.05克二氧化硅微球溶于50毫升无水酒精配置成溶液，在785nm激光照射下，采用上述装置，依上述方法进行实验。

实验结束以后形成了如图3所示的规则条纹分布，并且在没有激光照射的条件下，观察到图4所示的条纹分布，

根据光镊作用，光场对粒径越小的颗粒束缚能力越强，因此本发明的波导导模对纳米颗粒有着同样的效果。

图3为本发明的实施例1的烘干后的空腔玻璃内壁的sem电镜图，可见，颗粒成水平的条状条纹堆积在玻璃空腔内壁可以看到颗粒堆积，与理论预测一致，在放大图中可见，在更大分辨率下的一颗颗球形颗粒成规则分布。由此证明了波导中激发的导模对大量的颗粒的束缚作用。

图4是在重力作用下（无入射激光照射）的玻璃空腔内壁上的颗粒分布sem电镜图，可见，颗粒在重力作用下形成一些竖直条纹，但是没有观察到水平分布的规则条纹。

图5是在水平玻片上滴上一滴溶液，烘干后形成的颗粒分布sem电镜图。没有看到任何条纹。

因此，本发明的一种波导导模及其共振颗粒形成阵列的装置和方法，具有通过利用波导中的导模场来实现对液体中颗粒的大量、大面积的操控，实现对微结构的调制的作用。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。