[发明专利]一种基于显微成像的聚合物平面波导光学参数测量仪

说明书

技术领域

本发明涉及光波导器件光学参数表征的技术领域，特别涉及一种基于显微成像的聚合物平面波导光学参数测量仪。

背景技术

平面波导是集成光学中的基础性元器件，聚合物平面波导的低损耗、高带宽、易于加工等优点使其具有更广泛的应用，其光学参数的测量是制作高效可靠的光波导器件的必备要素之一。现有的测量平面波导光学参数的方法主要是基于棱镜的角度扫描法(即M线法)，并借助计算机求解超越方程求出波导参数。其主要存在的问题为：

1、操作不便。M线法测量波导的有效折射率需要特定的棱镜耦合仪(θ-2θ仪)，并且需要角度的逐点扫描，速度慢，耗时长，操作过程繁琐。

2、计算复杂。矩阵算法计算量大，模本征方程的求解需要计算机辅助。

3、局限性。其结构只能在一维方向激励共振导模，同时空间分辨率较低；不能实现实时测量或监测。

发明内容

本发明的目的是克服现有检测技术的不足，提出一种基于显微成像的聚合物平面波导光学参数的测量仪，其结构简单紧凑，空间分辨率高，无需角度扫描，可实时监测，适合于平面波导参数的高效、实时测量。

本发明实现上述目的的技术方案如下：

一种基于显微成像的聚合物平面波导光学参数测量仪，其包括：激光光源，偏振元件组，扩束透镜组，反射镜，高数值孔径油浸显微物镜，折射率匹配油，平面波导，分束镜，聚束透镜组和CCD图像传感器；其中，

所述的偏振元件组，是由起偏器及1/2波片组成的偏振元件组，用于改变激光的偏振方向；

所述的平面波导，是由玻璃基底，金属薄膜，聚合物薄膜以及上方空气层构成的四层结构，金属薄膜蒸镀或溅射在玻璃基底上，聚合物薄膜旋涂在金属薄膜上；

所述的激光光源所发射激光，通过偏振元件组后，形成线偏振光；通过扩束透镜组扩束后经反射镜、高数值孔径油浸显微物镜，折射率匹配油，以宽角度范围辐照在玻璃基底与金属薄膜的界面，在某些特定角度下，激发传输于平面波导中的导波模式，简称导模，这些角度与后焦面光学像上的暗弧一一对应；与其相应的入射光能量转化为导模光场能量，而其他角度的光束大部分被平面波导反射回来，反射光经高数值孔径油浸显微物镜收集，再经分束镜及聚束透镜组成像于CCD图像传感器，CCD图像传感器记录下高数值孔径油浸显微物镜后焦面上的反射光场光学像，通过读取所成像中的暗弧位置及半径，计算出所激发的各种导模的有效折射率。

进一步的，所述的激光光源通过扩束后，覆盖整个高数值孔径油浸显微物镜的入瞳；可实现宽角度范围照射平面波导，从而同时激发传输于平面波导中的各种导模。

进一步的，利用高数值孔径油浸显微物镜获得高空间分辨率，实现微区测量；同时利用同一高数值孔径油浸显微物镜实现入射光聚焦激发导模以及反射光的收集成像，简化了仪器结构。

进一步的，通过旋转1/2波片，可以控制高数值孔径油浸显微物镜后焦面光学像中的暗弧方向，以判断所激发的各种导模的偏振状态。

本发明技术方案的原理为：

所述激光光源，通过所设计的光路，实现宽角度范围辐照平面波导。在某些特定入射角度下，激发存在于波导中的各种导模；对应于这些角度的入射光场能量转换为平面波导中传输的各种导模，进而在位于高数值孔径油浸显微物镜后焦面的反射光场像上产生各种不同半径的暗弧。利用CCD图像传感器上所显示的暗弧半径(r＝f·nsinθ，r为暗弧半径，f为高数值孔径油浸显微物镜的焦距，n为折射率匹配油的折射率，θ为导模的激发角)与视场半径(R＝f·nsinθ_m，θ_m最大视角)的比值，计算出不同导模的激发角及其有效折射率。

本发明和传统技术相比的优势为：

1、结构简单：偏振光照明及显微物镜聚焦激发导模，通过CCD对物镜后焦面成像，利用不同暗弧半径对应于不同传播常数的导模，直接测出所有导模的有效折射率，其结构简单紧凑；

2、高效率：无需进行角度扫描，直接通过成像的方法进行测量，其测量时间短，操作方便，效率高；同时可实时动态监测外界因素，如温度、湿度，其他激光辐照等对导模有效折射率的影响；

3、高分辨率：显微物镜由于其结构的中心对称性，能在二维空间同时激发各种传输于平面波导中的导模，且利用显微物镜聚焦光束，实现高空间分辨率的微区测量。

4、模式分析方便：利用CCD图像传感器观察图像中的暗弧位置及半径，直接计算各种导模的偏振、激发角度及其有效折射率。

附图说明