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1、上海交通大学 硕士学位论文 光波导显微技术 姓名：杜嘉斌 申请学位级别：硕士 专业：光学 指导教师：沈启舜 20070101 i 光波导显微技术光波导显微技术 摘摘 要要 衰减全反射（ATR）结构是光学上一种较为特殊的反射型结构， 在一定的条件下， 反射光的空间强度和频谱成分都会受到结构参数的 影响和控制，同时反射光也携带上了结构本身的信息。 80 年代末期，Benno、Rothenhausler 等人开创性地提出利用衰减 全反射结构（表面等离子波）来显示处于金属薄膜表面的微小物体的 图像，即表面等离子波显微技术，并取得了很好的效果。该技术具有 操作简单化，制作成本低，易于普及等优点，自问世起
2、便受到广泛的 关注。然而，因为在表面等离子波显微结构中，样品处在迅衰场中， 导致了光强对样品变化的灵敏度有限。 针对上述不足，本文提出了一种新型的显微方法：光波导显微技 术，它同样利用衰减全反射原理进行显微。同表面等离子波显微技术 相比，光波导显微技术的样品处在振荡场中，从而大大提高了光强对 样品的变化灵敏度。 文中对光波导显微技术和表面等离子波显微技术进行了深入的 理论分析， 得到了理想条件下光波导显微技术和表面等离子波显微技 术各自样品的理论公式。实验结果验证了光波导显微理论的正确性。 本文还介绍了一项衍生实验，其设计思想是：在保持透明薄膜反 射图案高对比度特点的条件下， 通过双面金属包覆
3、结构增强透明薄膜 ii 的反射率。理论分析和实验结果都证明，具有双面金属包覆结构的透 明薄膜可以获得同时具有高对比度和高光强反射率的反射图案， 这对 研究透明薄膜的性质有很大的帮助。 关键词：关键词：导波光学，衰减全反射，反射率，表面等离子波显微，导波 显微 iii OPTICAL WAVEGUIDES MICROCOPY ABSTRACT ABSTRACT In an Attenuated-Total-Internal-Reflection (ATR) multi-layer structure, light reflectivity can be strongly dependent on
4、 layer parameters such as the layer thickness and refractive index. A tiny variation of these parameters can lead to a large change in the light reflectivity. This characteristic enables the realization of many novel type optoelectronic devices based on this structure. Surface Plasmon Microcopy (SPM
5、) is a new technique which is developed during the last two decades in the 20th century. Its based on an ATR structure, and becomes a hot topic in the research field now. Simple operation, low cost and easy adoption are the main advantages of SPM. Based on SPM, we proposed optical waveguides microco
6、py. Its also an ATR structure. However, comparing with SPM, the full width at half maximum (FWHM) of a reflection resonance dip of optical waveguides microcopy is much less, and its more sensitive than SPM. In this paper, we investigate how the ATR structure works in microcopy; give the formula of b
7、oth SPM and optical waveguides microcopys reflectivity. Experiment results show the feasibility of iv optical waveguides microcopy. The formula of reflectivity has been proved. The interference fringes with symmetrical metal-cladding structure are a derivative experiment. The role of the thickness o
8、f the coupling metal layer in the coupling efficiency was examined in this experiment. Experimental results show that the interference fringes with symmetrical metal-cladding structure could not only increase the optical reflectivity, but also afford high contrast approaching unity and coupling effi
9、ciency of nearly 100%. It is useful for the investigation of transparent films and the application of symmetrical metal-cladding structure. KEY WORDS: Guided Wave Optics, Attenuated Total Reflection, Reflectivity, Surface Plasmon Microscopy, Guided Wave Microcopy, 1 附件四附件四 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文
10、原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：杜嘉斌 日期： 2007 年 3 月 1 日 2 附件五附件五 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本
11、人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名：杜嘉斌 指导教师签名：沈启舜 日期：2007 年 3 月 1 日 日期：2007 年 3 月 1 日 1 第一章 综 述 第一章 综 述 1.1 引言 1.1 引言 对微观世界的探索，是人类长久以来不懈地追求。科学史研究表明1：早在 公元前一世纪，人们就已经发现：通过球形透明物体去观察微小物体时，可以使 其放大成像，并逐渐对球形玻璃表面能使物体放
12、大成像的规律有了一定认识。 1590 年， 荷兰和意大利的眼镜制造者已经造出类似显微镜的放大仪器。 1610 年前后，意大利的伽利略和德国的开普勒在研究望远镜的同时，最早得出了合理 的显微镜光路结构，当时的光学工匠遂纷纷从事显微镜的制造、推广和改进。 17 世纪中叶，英国的胡克和荷兰的列文胡克，都对显微镜的发展作出了卓 越的贡献。其中，胡克在显微镜中最早引入粗动和微动调焦机构、照明系统和承 载标本片的工作台。这些部件经过不断改进，成为现代光学显微镜的基本结构。 19 世纪，高质量消色差浸液物镜的出现，使显微镜观察微细结构的能力大 为提高。19 世纪 70 年代，德国人阿贝奠定了显微镜成像的古典
13、理论基础。这些 都促进了显微镜制造和显微观察技术的迅速发展，并为 19 世纪后半叶细菌和微 生物的发现提供了有力的工具。 在显微镜本身结构不断完善、 发展的同时， 显微观察技术也在不断创新： 1850 年出现了偏光显微术；1893 年出现了干涉显微术；1953 年荷兰物理学家泽尔尼 克发明了相衬显微术，这是近代光学显微技术中最重要的成就之一，为此他在 1953 年获得了诺贝尔物理学奖。 1933 年德国的 Ruska 和 Knoll 等人在柏林制成了世界上第一台电子显微镜 2，这也标志着非光学显微技术的诞生。随后，许多用于表面结构分析的现代仪 器先后问世3。如透射电子显微镜（TEM） 、扫描电
14、子显微镜（SEM） 、场电子显 微镜4（FEM） 、 场离子显微镜5（FIM） 、 低能电子衍射 （LEED） 、 俄歇谱仪 （AES） 、 光电子能谱（ESCA） 、扫描隧道显微镜（STM）6,7等。今天，这些技术在表面 科学各领域的研究中起着重要的作用，其分辨率已经达到原子级水平。 2 80 年代末期，表面等离子波显微技术问世8,9，该技术具有操作简单化，制 作成本低，易于普及等优点，因而受到了广泛的关注与研究。 本文的研究对象是光波导显微技术， 作为在表面等离子波显微技术基础上提 出的一项新的显微技术，它继承了表面等离子波显微技术的优点，同时有效地弥 补了表面等离子波显微技术的不足。 1
15、.2 传统显微技术 1.2 传统显微技术 1.2.1 传统光学显微技术1.2.1 传统光学显微技术 传统的光学显微技术，其特点是物镜焦距短，被观测的小物体放在物镜焦点 附近的齐名点上，中间像面离镜头较远，根据它的性能，它的分辨率用最小分辨 距离来衡量10。 设物点 Q 发射的球面波经入射光瞳的衍射，在中间像面形成夫琅和费衍射 斑（爱里斑） 。显微镜中物镜的边缘是孔径光阑，它又是物镜的出射光瞳。根据 公式，爱里斑的角半径为： Dn 22. 1 = 式中， n是像方折射率，D是物镜直径。设物镜到中间像面的距离为l，中间像 面上爱里斑的半径为l。为真空波长。 考虑轴外物点P，根据瑞利判据，当P点的像
16、点 P （实际上是衍射斑中心） 正好落在Q点产生的爱里斑边缘时，Q、P 两点刚刚可以分辨。换句话说，满足 以上条件的距离yQP=就是我们要求的显微镜的最小分辨距离 m y 显微镜工作在齐明点，所以这对共轭点满足阿贝正弦条件 sinsinyunyun= 对显微镜， u通常较小，可以认为 sinuu=，代入上式，得： un ym sin 61. 0 = 为了提高分辨能力，我们要尽量减小 m y。现在所采用的油浸式的显微镜采 3 用增大物方折射率的的方法，最大限度地提高了分辨率，然而，unsin得极大值 也就在1.5左右，所以光学显微镜的分辨率最高限度： 4 . 0 5 . 1 61. 0 m y 这样我们得出结论，在可见光波段工作的传统光学显微镜，其最小分辨距离 大约为0.2m，在更小的距离上，由于衍射效应的影响，无法得到清晰的图像。 1.2.2 非光学
