一種基于光柵對耦合激發BSW實現無衍射光束的光學芯片的制作方法

本發明涉及全介質的無衍射光的生成的技術領域，具體涉及一種基于光柵對耦合激發BSW實現無衍射光束的光學芯片。

背景技術：

布洛赫波(BSW)存在于光子晶體缺陷層與周圍介質層的表面，可以被看成是低損耗和高局域性表面等離子體(SPP)的類似物。與SPP類似，BSW應用于納米級光路，化學以及生物傳感、氣體傳感、熒光輻射增強和表面增強拉曼散射(SERS)等。BSWs與SPP有以下區別：(1)BSWs沒有金屬的吸收損耗，因此布洛赫波有高的質量因子以及長的傳播長度；(2)能制作光子晶體的介質材料有多種選擇，因此可制作出深紫外到近紅外波段的BSWs，然而SPPs在紫外波段以及可見波段的傳輸損耗非常高；(3)熒光在金屬表面淬滅的厲害，然而在介質表面就不會存在這個問題。

SPPs和BSWs在界面傳播的時候都有衍射問題存在，這導致光在傳輸的時由于波包的橫向擴展而導致的基片元件之間的耦合損耗。在過去幾年中，隨著等離子體技術的發展，研究人員提出了許多種產生非衍射光的方法，例如在金屬膜上刻周期性光柵，用空間光調制器產生等離子體艾里光；在金屬膜上刻寫有光柵對，這樣可以產生余弦高斯等離子體光束；利用楔形的金屬介質金屬結構可以將等離子體艾里光變成線型光。這些結構的光學芯片都存在著一定的局限性，其主要存在的問題為：(1)損耗大。金屬介電常數的虛部很大，利用金屬結構實現無衍射光束的光學芯片，其損耗很大，降低了無衍射光束的傳輸長度。(2)實用性差。無衍射光的自彎曲效應以及傳輸距離短等特點都極大的降低了其在實用過程中的使用效果。

技術實現要素：

本發明的目的克服金屬的吸收損耗，利用介質光柵對與布拉格反射單元的耦合，實現全介質的無衍射光，是一款結構簡單，低加工成本的光學芯片。

本發明實現上述目的的技術方案如下：

一種基于光柵對耦合激發BSW實現無衍射光束的光學芯片，該光學芯片包括玻璃基底、布拉格反射單元、光柵對和去離子水；其中，所述的布拉格反射單元、去離子水依次排放在玻璃基底上；所述光柵對置于布拉格反射單元頂層內；所述的布拉格反射單元和光柵對與去離子水之間會產生BSW光束，光柵對所產生的兩束BSW發生干涉產生無衍射BSW光束。

其中，所述的布拉格反射單元由高折射率介質Si₃N₄層和低折射率介質SiO₂層交替組成，頂層為SiO₂缺陷層，一共14層。

其中，所述的布拉格反射單元中交替的Si3N4、SiO2以及缺陷層厚度均可調，以控制布拉格反射單元的反射曲線，調節BSW耦合出射共振峰的位置。

其中，所述的光柵對周期為460nm，線寬為200nm，深度為100nm，長度為30μm，周期個數為20個，光柵對夾角為170度，可以通過改變光柵對的長度和角度角度來改變無衍射光束的長度，通過改變光柵對的深度和線寬來改變耦合效率。

本發明技術方案的原理為：一種基于光柵對耦合激發BSW實現無衍射光束的光學芯片，該光學芯片包括玻璃基底、布拉格反射單元、刻在布拉格反射單元頂層的光柵對和去離子水；其中，所述的布拉格反射單元和光柵對以及去離子水被激光激發后會產生兩束BSW，兩束BSW干涉產生無衍射光波；利用聚焦離子束刻蝕的方法刻寫的在布拉格反射單元頂層的兩組光柵夾角可變，周期可變，線寬可變，深度可變，位置可變，單縫長度可變；光柵對的周期與布拉格反射單元的BSW的波長匹配，可以達到最大的耦合效率；光柵對的深度和線寬改變，可以提高BSW的耦合效率；在無衍射BSW路徑上刻寫小孔障礙物，無衍射BSW會產生自修復現象；改變小孔的大小，可以改變自修復距離。

在多層介質膜組成的布拉格反射單元會產生BSW，激光打在光柵對上會耦合激發BSW，兩個光柵有一定的夾角，因此兩束布洛赫波會重疊，重疊的部分發生干涉，形成無衍射光波。

本發明和傳統技術相比的特點為：

(1)表面結構簡單：僅需在布拉格反射單元頂層刻寫有一定夾角的兩組光柵以及特定位置的小孔；

(2)易于加工：對于光柵對的位置，縫長、深度、線寬等沒有嚴格的要求，這在很大程度上降低了加工的難度；

(3)實用性強：衍射光波傳輸的路徑上放置障礙物，無衍射光波能很快的自修復，增加了無衍射光束的實用性。

附圖說明

圖1為本發明一種基于光柵對耦合激發BSW實現無衍射光束生成的光學芯片的結構立體示意圖；

圖2為本發明一種基于光柵對耦合激發BSW實現無衍射光束生成的光學芯片的結構切面示意圖；

圖3為利用該芯片得到的無衍射余弦高斯布洛赫波光束實驗前焦面像，后焦面像，理論前焦面像，理論和實驗的強度輪廓圖，單個光柵激發表面布洛赫波前焦面像，其中，圖3(a)為無衍射BSW生成的像面圖，圖3(b)和圖3(d)分別為實驗和理論得到的無衍射光束橫截面的擬合示意圖，圖3(c)為用FDTD模擬的結果示意圖，圖3(e)為單個光柵激發的情況示意圖，圖3(f)為和圖3(g)分別為圖3(a)和圖3(e)對應的后焦面圖。

附圖標記含義為：1為玻璃基底，2為布拉格反射單元，3為光柵對，4為去離子水，5為Si3N4層，6為SiO2層，7為SiO₂缺陷層。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細描敘。

實施例1：

參照圖1-2所示的一種基于光柵對耦合激發BSW實現無衍射光束的光學芯片，包括玻璃基底1，布拉格反射單元2，光柵對3，去離子水4。其中布拉格反射單元由66nm Si₃N₄層5和110nm的SiO₂層6交替組成，頂層的SiO₂缺陷層7厚度為450nm。刻有光柵對的周期為460nm，角度為170°，深度為100nm，線寬為200nm。布拉格反射單元表面BSW的波矢460nm，與光柵對的周期相匹配。633nm激發光從光學芯片上方入射，與布拉格反射單元以及光柵對耦合產生無衍射BSW，無衍射BSW與激發光以不同角度輻射下來，BSW角度為64度，我們可以通過圖3(f)和圖3(g)后焦面圖推出輻射角度。圖3(a)是無衍射BSW生成的像面圖，圖3(c)是用FDTD模擬的無衍射光束的結果，圖3(e)是單個光柵激發的情況。圖3(b)和圖3(d)分別為實驗和理論結果的無衍射光束橫截面的擬合可以看到不同傳播位置處的半高寬不變，而且實驗和理論的半高寬一致，橫截面曲線擬合圖可以很直觀的看出無衍射BSW光的無衍射特性。

本發明未詳細闡述的部分屬于本領域公知技術。