導(dǎo)模共振設(shè)備的制造方法
【專利摘要】一種導(dǎo)模共振設(shè)備，包括：?基板，?波導(dǎo)，?與所述波導(dǎo)關(guān)聯(lián)的光柵結(jié)構(gòu)，所述光柵結(jié)構(gòu)布置到所述基板的入射表面，所述入射表面意在接收由至少一個(gè)光源提供的入射光束，所述入射光束具有相對(duì)于所述波導(dǎo)的法線限定的入射角，所述光柵結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)基本結(jié)構(gòu)，所述至少一個(gè)基本結(jié)構(gòu)包括至少第一類型光柵結(jié)構(gòu)和至少第二類型光柵結(jié)構(gòu)，?其中：?所述波導(dǎo)布置為將光從第一類型光柵結(jié)構(gòu)傳遞到第二類型光柵結(jié)構(gòu)，并且還將光從第二類型光柵結(jié)構(gòu)傳遞到第一類型光柵結(jié)構(gòu)，?所述第一類型光柵結(jié)構(gòu)布置為出射耦合第一光束，?所述第二類型光柵結(jié)構(gòu)布置為出射耦合第二光束，?所述第一光束具有與所述第二光束不同的光譜分布。
【專利說明】
導(dǎo)模共振設(shè)備
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)器件領(lǐng)域，更具體地涉及包含光波導(dǎo)的設(shè)備。更具體地說，本發(fā)明涉及導(dǎo)模共振設(shè)備及其在光學(xué)傳感器、光學(xué)濾波器和安全設(shè)備中的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]薄膜光學(xué)領(lǐng)域是光學(xué)技術(shù)中的重要領(lǐng)域。多種多樣的濾波器和光學(xué)設(shè)備產(chǎn)生并用于許多行業(yè)和廣泛的應(yīng)用。這些薄膜光學(xué)結(jié)構(gòu)、組裝件和設(shè)備中的大多數(shù)由沉積有精確控制的厚度和材料參數(shù)的均勻?qū)訕?gòu)成，通常它們?cè)诘蛪捍髿庵袑?shí)現(xiàn)，從而需要尖端技術(shù)。使用這樣的多層濾波器的設(shè)備的示例包括但不限于:防反射濾波器、低通濾波器和高通濾波器、相位板、平板分束器、偏振濾光器、微反射鏡。在這些設(shè)備中的數(shù)個(gè)設(shè)備中，薄膜光學(xué)結(jié)構(gòu)可布置為使得它們的組合擴(kuò)大了這些設(shè)備的潛在應(yīng)用。
[0003]與這些薄膜光學(xué)設(shè)備關(guān)聯(lián)的重大缺點(diǎn)在于:通常需要大量的層以獲得顯著的光學(xué)效應(yīng)。不例外的是，堆疊層的要求的數(shù)量大于50。這些光學(xué)設(shè)備主要通過設(shè)備的不同堆疊層的界面之間的多重反射來起作用?？刂七@樣的設(shè)備的光學(xué)性能的技術(shù)的復(fù)雜度可能相當(dāng)高并因此昂貴。此外，與多個(gè)堆疊層關(guān)聯(lián)的粘附和穩(wěn)定問題可能成為問題。在光學(xué)堆疊內(nèi)部的散射效應(yīng)和不需要的反射是目前存在的問題，尤其是在將要獲得特定的光學(xué)效應(yīng)，例如在其中任何雜散光可能是限制因素的高品質(zhì)濾波器、干涉量度法或大功率激光應(yīng)用中產(chǎn)生該特定的光學(xué)效應(yīng)的情況下。
[0004]光柵也已經(jīng)廣泛用作分散和過濾光束的設(shè)備。已經(jīng)提出光柵和波導(dǎo)的組合來制作具有獨(dú)特的性能的光學(xué)結(jié)構(gòu)和設(shè)備，例如具有非常窄的帶寬的濾波器。更具體地，由于共振波導(dǎo)光柵允許產(chǎn)生不能通過傳統(tǒng)的光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)的、特別令人感興趣的光學(xué)效應(yīng)，所以已在共振波導(dǎo)光柵領(lǐng)域進(jìn)行了相當(dāng)量的開發(fā)工作。
[0005]共振波導(dǎo)光柵還稱為導(dǎo)模共振濾波器，由亞波長(zhǎng)的光柵和薄膜波導(dǎo)的組合構(gòu)成。這樣的結(jié)構(gòu)具有多層構(gòu)造，且基本布置包括基板、薄的介電層或半導(dǎo)體波導(dǎo)層，以及可能還包括其中形成光柵的額外的層。當(dāng)入射光通過光柵衍射并與波導(dǎo)的模式匹配時(shí)，發(fā)生所謂的共振。由于大多數(shù)光譜不耦合到波導(dǎo)中，所以在反射和透射中觀察到強(qiáng)的光譜改變。在光柵開發(fā)的早期階段已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這樣的共振的存在(R.W.Wood，Phil.雜志，第4卷，第396-402頁，1902)。這些共振屬于光柵結(jié)構(gòu)中的一種類型的異常衍射現(xiàn)象，意味著可在外部觀察到的衍射級(jí)關(guān)于物理參數(shù)例如入射波的角度和/或波長(zhǎng)的快速變化。在光柵制造的早期階段，不能解釋反射的突變。Hessel和Oliner(應(yīng)用光學(xué)，第4卷，第1275-1297頁，1965)指出基本上存在兩種類型的光柵異常。一種稱為瑞利型，它是典型的Wood異常，另一種稱為共振型。瑞利型異常歸因于傳遞到消散波的更高衍射級(jí)的能量。
[0006]衍射光柵中的共振異常在本專利申請(qǐng)的上下文中是特別令人感興趣的，其歸因于外部入射波到由結(jié)構(gòu)支持的表面導(dǎo)波的耦合過程。這樣的光柵異常可根據(jù)結(jié)構(gòu)的類型分成兩種類型，且可通過使用傅立葉-瑞利近似獲得精確的結(jié)果。該方法不能應(yīng)用于深的光柵槽的情況。數(shù)個(gè)作者研究來自弱的波紋波導(dǎo)的反射。深的光柵槽的收斂性問題可通過使用嚴(yán)格的仿真方法例如傅立葉-莫代爾方法(FMM)或嚴(yán)格耦合波分析(RCWA)來緩和。通過這些新的數(shù)學(xué)工具，過去十年已經(jīng)提出和開發(fā)了很多設(shè)備。
[0007]導(dǎo)模共振結(jié)構(gòu)的一個(gè)主要應(yīng)用是在反射和透射時(shí)具有非常窄的光譜線寬的濾波器的設(shè)計(jì)。帶寬可以設(shè)計(jì)為非常窄，大約0.lnm，且可通過參數(shù)例如光柵深度、占空比以及波導(dǎo)層的厚度來調(diào)整。Magnusson提出了波長(zhǎng)選擇性反射濾波器并研究了它們的線形(R.Magnusson和S.S.Wang: “用于光學(xué)濾波器的新原理(New principle for opticalfilters)”，Appl.Phys.Lett.，第61卷，第 1022-1024頁，1992)。此外，共振光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)分析已經(jīng)由Rosenblatt和Sharon公布:
[0008]-D.Rosenblatt等人:“共振光棚.波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(Resonating grating waveguidestructures)” IEEE J.Quantum Electron.，第33卷，編號(hào) 11，第2038-2059 頁，1997 ；
[0009]-A.Sharon等人:“用于可見光和近紅外福射的共振光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(Resonatinggrating-wavegudie structures for visible and near-1nfrared radiat1n)，，，J.0pt.Soc.Am.，第 14卷，編號(hào) 11，第2985-2993頁，1997。
[00?0] Rosenblatt和Sharon在這些論文中解釋了:在共振的向前傳播和向后傳播之間波能的高效傳遞歸因于入射波和衍射波之間的相對(duì)相移，從而導(dǎo)致向前傳播的波和向后傳播的波的相消干涉和相長(zhǎng)干涉。
[0011]具體地，共振波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的限制與鏡面反射現(xiàn)象降低濾波器的性能的事實(shí)相關(guān)。當(dāng)共振波導(dǎo)結(jié)構(gòu)用于產(chǎn)生特定顏色時(shí)，這些鏡面反射效應(yīng)還可限制共振波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的性能。色調(diào)由內(nèi)部反射效應(yīng)和/或由于鏡面反射導(dǎo)致的效應(yīng)來限制。
[0012]導(dǎo)模共振設(shè)備還可用作傳感器中的組件。通過將諸如氣體或生化層的物質(zhì)應(yīng)用于與共振波導(dǎo)接觸，可檢測(cè)這些物質(zhì)。傳感器中導(dǎo)模共振設(shè)備的限制在于:與所述物質(zhì)相互作用的波的相互作用長(zhǎng)度受到限制，因此獲得的效應(yīng)小。
[0013]共振波導(dǎo)光柵用作傳感器以檢測(cè)氣體的存在的示例在L.Davoine等人的文章中描述，該文章是“基于波導(dǎo)光柵的化學(xué)敏感層的共振吸收(Resonant absorpt1n of achemically sensitive layer based on waveguide gratings)，，，應(yīng)用光學(xué)，第52卷，編號(hào)3，第340-349頁，2013。在這樣的設(shè)備中，主要缺點(diǎn)是沿著波導(dǎo)的光的固有泄漏，因此不能完全吸收共振光。另外，需要在可能的吸收增強(qiáng)和共振波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的共振帶寬之間選擇微妙的權(quán)衡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的目的在于至少部分地克服如現(xiàn)有技術(shù)中描述的導(dǎo)模共振設(shè)備的限制，從而提供具有改進(jìn)的可見光管理性能的導(dǎo)模共振設(shè)備。本發(fā)明的另一目的在于提高用作氣體和生化傳感器設(shè)備中的主要組件以及用作安全設(shè)備的、這樣的導(dǎo)模共振設(shè)備的性能。
[0015]為此，本發(fā)明關(guān)注基于共振波導(dǎo)光柵的導(dǎo)模共振設(shè)備，至少兩個(gè)光柵布置在該共振波導(dǎo)光柵上，通過交換由所述至少兩個(gè)光柵上的入射光束提供的光而彼此通信。通過交換光，所述至少兩個(gè)光柵產(chǎn)生具有不同的光譜分布的至少兩個(gè)出射耦合的光束。
[0016]更確切地說，本發(fā)明的目的通過以下導(dǎo)模共振設(shè)備實(shí)現(xiàn)，該導(dǎo)模共振設(shè)備包括:
[0017]-基板，
[0018]-波導(dǎo)，
[0019]-與所述波導(dǎo)關(guān)聯(lián)的光柵結(jié)構(gòu)，所述光柵結(jié)構(gòu)布置到所述基板的入射表面，所述入射表面意在接收由至少一個(gè)光源提供的入射光束，所述入射光束具有相對(duì)于所述波導(dǎo)的法線限定的入射角，所述光柵結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)基本結(jié)構(gòu)，所述至少一個(gè)基本結(jié)構(gòu)包括至少第一類型光柵結(jié)構(gòu)和至少第二類型光柵結(jié)構(gòu)，所述第一類型光柵結(jié)構(gòu)和至少第二類型光柵結(jié)構(gòu)具有不同的光柵周期和/或不同的光柵方向。換句話說，所述第一類型光柵結(jié)構(gòu)和至少第二類型光柵結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出不同的有效光柵周期，如將在后面詳細(xì)說明的。
[0020]導(dǎo)模共振設(shè)備的波導(dǎo)布置為將光從第一類型光柵結(jié)構(gòu)傳遞到第二類型光柵結(jié)構(gòu)，且還將光從第二類型光柵結(jié)構(gòu)傳遞到第一類型光柵結(jié)構(gòu)。波導(dǎo)由折射率比鄰近波導(dǎo)的與入射表面相對(duì)一側(cè)的材料的折射率高至少0.05的材料制成。這允許多種多樣的材料用于基板、波導(dǎo)以及位于基板和波導(dǎo)之間的任何可能的中間層。
[0021]第一類型光柵結(jié)構(gòu)布置為將所述入射光束的第一部分入射耦合到所述波導(dǎo)中，以及第二類型光柵結(jié)構(gòu)布置將所述入射光束的第二部分入射耦合到所述波導(dǎo)中。此外，第一類型光柵結(jié)構(gòu)布置為將所述入射光束的所述第二部分的出射耦合部分從所述波導(dǎo)耦合出來，所述出射耦合部分限定第一光束，以及第二類型光柵結(jié)構(gòu)布置為將所述入射光束的所述第一部分的出射耦合部分從所述波導(dǎo)耦合出來，所述出射耦合部分限定第二光束。所述第一光束具有與所述第二光束不同的光譜分布。通過該布置，至少兩個(gè)光束可從導(dǎo)模共振設(shè)備的波導(dǎo)耦合出來。這樣的布置可用于多種多樣的光學(xué)應(yīng)用，其中，具有寬的光譜分布的入射光束必須分成具有不同的光譜分布的兩個(gè)單獨(dú)的光束，并且其中，這兩個(gè)光束的顏色應(yīng)該是鮮艷的，并且其中，這兩個(gè)所述光束之間的顏色對(duì)比必須高。本發(fā)明的導(dǎo)模共振設(shè)備還允許由于多次內(nèi)部反射而具有非常低的雜散光水平，從而允許進(jìn)一步提高這兩個(gè)所述光束的顏色的質(zhì)量和對(duì)比。
[0022]由導(dǎo)模共振設(shè)備產(chǎn)生的第一光束和第二光束中的每個(gè)具有相對(duì)于波導(dǎo)的法線限定的出射耦合角，以使所述第一光束和第二光束相對(duì)于波導(dǎo)的法線不對(duì)稱于所述入射光束。該布置還稱為非鏡面布置，允許減少通常用于鏡面光束的干擾和雜散光效應(yīng)，其中，反射光束相對(duì)于金屬或多層介電表面、設(shè)備的法線基本上對(duì)稱于入射光束。因此，與將光束分成具有不同的光譜分布的至少兩部分的其他光學(xué)設(shè)備相比，導(dǎo)模共振設(shè)備將具有優(yōu)良的光學(xué)性質(zhì)。此外，裝置易于生產(chǎn)，所以也便宜。在通常情況下，第一出射耦合的光束和第二出射耦合的光束是分散的，對(duì)于不同的波長(zhǎng)具有不同的出射耦合角。第一光束和第二光束中的每個(gè)可包含與光柵的不同的入射耦合共振和出射耦合共振對(duì)應(yīng)的不同的光譜帶。由于這些原因，出射耦合的第一光束或第二光束可包含以不同的角度出射耦合的不同的波段。所述第一光束和所述第二光束中的角狀顏色分布可以是連續(xù)的或不連續(xù)的。
[0023]根據(jù)實(shí)施例，導(dǎo)模共振設(shè)備可包括至少一個(gè)基本結(jié)構(gòu)，所述至少一個(gè)基本結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)第一類型光柵結(jié)構(gòu)，以及可布置在所述兩個(gè)第一類型光柵結(jié)構(gòu)之間的一個(gè)第二類型光柵結(jié)構(gòu)。這樣的布置允許延伸光學(xué)設(shè)計(jì)的靈活性，并允許生成多達(dá)三個(gè)不同的出射耦合的光束，其中每個(gè)出射耦合的光束具有不同的光譜分布。
[0024]導(dǎo)模共振設(shè)備的所述波導(dǎo)的材料可從包括Ti02、或Hf02、或Ta205、或Zr02、或A1N、或A1203、或ZnO、或Si02、或Si3N4、或MgF2、或CaF2、或MgO、或它們的組合的組中選擇。材料的這種寬的選擇允許導(dǎo)模共振設(shè)備用于廣泛的應(yīng)用，其中每個(gè)應(yīng)用需要所述出射耦合的光束的特定的光譜分布。
[0025]在優(yōu)選的實(shí)施例中，導(dǎo)模共振設(shè)備的所述光柵結(jié)構(gòu)布置在所述基板的面對(duì)所述入射光束的表面上。這允許獲得出射耦合的光束之間的良好的顏色對(duì)比。
[0026]在實(shí)施例中，中間層布置在所述基板和所述光柵結(jié)構(gòu)之間。所述中間層的布置允許延伸設(shè)計(jì)的可能性，且還可用于提高導(dǎo)模共振設(shè)備的所述波導(dǎo)和所述基板之間的折射率匹配。
[0027]所述第一光束和所述第二光束中的每個(gè)可以是可見光束，或者可以是近紅外光束，或者可以是紅外光束，或者可以是UV光束，或者它的光譜分布可覆蓋這些不同范圍的一部分。第一光束和第二光束可以位于相同的波長(zhǎng)范圍內(nèi)或位于另一波長(zhǎng)范圍內(nèi)。針對(duì)不同的波長(zhǎng)設(shè)計(jì)和布置導(dǎo)模共振設(shè)備的光柵結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)的可能性，允許相當(dāng)程度地?cái)U(kuò)大位于UV、可見光和紅外范圍或這些范圍的組合中的可能的應(yīng)用的數(shù)量。
[0028]所述第一光束和所述第二光束的光譜帶寬小于250nm，優(yōu)選地小于lOOnm，以及所述帶寬的中心波長(zhǎng)相差超過1nm，優(yōu)選地超過30nm，更優(yōu)選地超過50nm。大的帶寬允許設(shè)備用于以下應(yīng)用，其中眼睛觀察到導(dǎo)模共振設(shè)備的出射耦合的光束，或當(dāng)需要高的出射耦合的功率強(qiáng)度時(shí)。設(shè)備的適應(yīng)使得出射耦合的光束具有小的帶寬，允許設(shè)備用于特定應(yīng)用例如在氣體和/或生化感測(cè)應(yīng)用的領(lǐng)域。
[0029]在實(shí)施例中，所述第一光束和所述第二光束具有與所述入射角相差超過10°的出射親合角。在一個(gè)變體中，所述第一光束和/或所述第二光束的孔徑(aperture)小于10°，優(yōu)選地小于5°，更優(yōu)選地小于2°。設(shè)計(jì)和布置第一類型光柵和第二類型光柵以使不同的出射耦合角中的每個(gè)具有相同或不同的孔徑的可能性，允許進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)能力，因此增加可能的應(yīng)用的領(lǐng)域。
[0030]在實(shí)施例中，導(dǎo)模共振設(shè)備可包括所述基本結(jié)構(gòu)的陣列。所述陣列可包括至少兩個(gè)基本結(jié)構(gòu)，所述陣列的每個(gè)基本結(jié)構(gòu)布置為與相鄰的所述基本結(jié)構(gòu)即通過交換光而協(xié)作。使不同的基本結(jié)構(gòu)適應(yīng)于陣列中，允許進(jìn)一步擴(kuò)展設(shè)備的設(shè)計(jì)變體。所述基本結(jié)構(gòu)用于陣列的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是提高表面覆蓋度和每單位表面的出射耦合的光功率密度。這進(jìn)而可轉(zhuǎn)變?yōu)橛^察到的出射耦合的光的更高的可見性或靈敏度。在設(shè)計(jì)陣列時(shí)，特別令人感興趣的是，每個(gè)所述光柵結(jié)構(gòu)將光入射耦合和出射耦合到與之相鄰的光柵結(jié)構(gòu)，/入射耦合和出射耦合來自與之相鄰的光柵結(jié)構(gòu)的光，以最大化出射耦合的光的功率密度。
[0031]在另一實(shí)施例中，至少第三類型光柵結(jié)構(gòu)布置在所述陣列中，且所述第三類型光柵結(jié)構(gòu)布置為與所述第一類型光柵結(jié)構(gòu)相鄰或與所述第二類型光柵結(jié)構(gòu)相鄰。所述第三類型光柵結(jié)構(gòu)布置為將所述入射光束的第三部分入射耦合到所述波導(dǎo)中，所述第三部分通過所述波導(dǎo)傳遞到所述第一類型光柵結(jié)構(gòu)或傳遞到所述第二類型光柵結(jié)構(gòu)。所述第三類型光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)一步布置為將所述入射光的所述第一部分的一部分或所述入射光的所述第二部分的一部分從波導(dǎo)出射耦合出來，所述出射耦合部分限定第三光束。第三光束具有與所述第一光束或所述第二光束的光學(xué)特性類似的光學(xué)特性。將第三類型光柵布置在基本光柵結(jié)構(gòu)中，允許增強(qiáng)設(shè)備的設(shè)計(jì)的可能性。
[0032]在實(shí)施例中，至少包括第三類型光柵的至少兩個(gè)基本結(jié)構(gòu)的陣列布置到導(dǎo)模共振設(shè)備，且所述陣列的每個(gè)基本結(jié)構(gòu)布置為通過交換光與相鄰的所述基本結(jié)構(gòu)協(xié)作。
[0033]在進(jìn)一步的實(shí)施例中，基本結(jié)構(gòu)可布置為二維陣列。所述陣列可包括基本結(jié)構(gòu)的平行的行，或者可包括基本結(jié)構(gòu)的不平行的行。將所述基本結(jié)構(gòu)布置為陣列，允許進(jìn)一步擴(kuò)展導(dǎo)模共振設(shè)備的設(shè)計(jì)的靈活性，且還擴(kuò)展可能的應(yīng)用的范圍。
[0034]在另一實(shí)施例中，所述基本結(jié)構(gòu)可包括至少一個(gè)另外的光學(xué)結(jié)構(gòu)。所述另外的光學(xué)結(jié)構(gòu)可以是光柵結(jié)構(gòu)或者可以是微透鏡陣列。在一個(gè)變體中，另外的光學(xué)結(jié)構(gòu)布置為與所述基本結(jié)構(gòu)相鄰。所述另外的光學(xué)結(jié)構(gòu)可以是光柵結(jié)構(gòu)或者可以是微透鏡陣列。將所述另外的光學(xué)結(jié)構(gòu)包含在導(dǎo)模共振設(shè)備中，允許提高設(shè)備的功能，例如通過集成允許核實(shí)雜散光和/或引導(dǎo)的總的光強(qiáng)度從而能夠檢查設(shè)備的功能的光學(xué)結(jié)構(gòu)來提高設(shè)備的功能。在光學(xué)安全應(yīng)用中，可包含與所述基本結(jié)構(gòu)或多或少地接近的其他光學(xué)安全元件。這樣的光學(xué)安全元件可以是全息圖、零階設(shè)備、摩爾紋、微透鏡、反射或散射表面、光耦合器、光變油墨、不可變油墨或它們的組合。
[0035]在實(shí)施例中，涂層布置到所述波導(dǎo)的面對(duì)所述入射光束一側(cè)，所述涂層至少布置在所述波導(dǎo)的一部分上。使涂層適應(yīng)于設(shè)備，可用于保護(hù)處于一些應(yīng)用中的設(shè)備。作為示例，該涂層可設(shè)計(jì)為光學(xué)覆蓋層，從而給所述基本結(jié)構(gòu)提供機(jī)械和環(huán)境穩(wěn)健性。
[0036]本發(fā)明還涉及氣體感測(cè)設(shè)備，該氣體感測(cè)設(shè)備包括根據(jù)本發(fā)明的導(dǎo)模共振設(shè)備，并且其中，所述導(dǎo)模共振設(shè)備布置為使得通過基板、波導(dǎo)、光柵或它們周圍的層(例如，所述中間層或所述涂層)的材料中至少一個(gè)的介電常數(shù)的改變，而改變所述第一光束和/或所述第二光束的光譜分布。由于與所述基本結(jié)構(gòu)接觸的所述氣體的濃度的改變，介電常數(shù)的這種改變可影響這些材料中至少一個(gè)的折射率或吸收系數(shù)?；谕ㄟ^改變的氣體濃度產(chǎn)生折射率的改變的效應(yīng)的設(shè)備，允許制作簡(jiǎn)單、便宜且快速的氣體感測(cè)設(shè)備。通過由不同材料功能化的不同的所述基本結(jié)構(gòu)或不同的所述基本結(jié)構(gòu)的陣列的組合，允許設(shè)計(jì)不同的氣體靈敏度、選擇度和動(dòng)力學(xué)，以檢測(cè)和監(jiān)測(cè)各種氣體混合物的存在。
[0037]在實(shí)施例中，氣體感測(cè)設(shè)備包括光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)布置為重定向和/或改變所述第一光束和/或所述第二光束和/或所述入射光束的散度(divergence)。氣體感測(cè)設(shè)備可包括至少一個(gè)光電探測(cè)器，以測(cè)量所述第一光束或所述第二光束中至少一個(gè)的強(qiáng)度?；诟鶕?jù)本發(fā)明的導(dǎo)模共振設(shè)備的氣體感測(cè)設(shè)備允許實(shí)現(xiàn)小型化的和被動(dòng)的氣體感測(cè)設(shè)備，以及還允許通過所述第一光束和第二光束的光譜分布的改變的即時(shí)檢測(cè)，對(duì)氣體的快速檢測(cè)。
[0038]本發(fā)明的目的還通過用于氣體感測(cè)的方法獲得，該方法包括以下步驟:
[0039]-提供如之前提到的氣體感測(cè)設(shè)備，
[0040]-將光源布置到氣體感測(cè)設(shè)備的所述光柵結(jié)構(gòu)一側(cè)，或者使用來自使用環(huán)境的光源，
[0041]-將氣體引入到導(dǎo)模共振設(shè)備的直接環(huán)境中，或者改變導(dǎo)模共振設(shè)備的直接環(huán)境中的氣體的濃度，所述氣體布置為接觸所述光柵結(jié)構(gòu)和所述波導(dǎo)，
[0042]-通過眼睛觀察或者通過至少一個(gè)光電探測(cè)器檢測(cè)所述第一光束和所述第二光束的光譜分布的改變。
[0043]根據(jù)本發(fā)明的檢測(cè)氣體的方法允許提供檢測(cè)特定氣體的簡(jiǎn)單、便宜且快速的方式。這樣的氣體的示例是銨。根據(jù)本發(fā)明的檢測(cè)氣體的方法可使用非常基本的光學(xué)系統(tǒng)，或者可在不存在額外的光學(xué)元件的情況下執(zhí)行，從而允許通過眼睛簡(jiǎn)單地觀察所述出射耦合的光束的顏色而檢測(cè)氣體。
[0044]本發(fā)明還涉及生化物質(zhì)的生化感測(cè)設(shè)備，該生化感測(cè)設(shè)備包括根據(jù)本發(fā)明的導(dǎo)模共振設(shè)備，并包括設(shè)計(jì)為與所述生化物質(zhì)反應(yīng)的生化層。所述生化層布置為與所述波導(dǎo)和/或所述光柵結(jié)構(gòu)接觸，以及所述生化感測(cè)設(shè)備布置為使得通過所述生化物質(zhì)與所述生化層反應(yīng)，而改變所述第一光束和/或所述第二光束的光譜分布。根據(jù)本發(fā)明的生化感測(cè)設(shè)備允許制作可以是一次性的、簡(jiǎn)單且便宜的設(shè)備。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的是，公開的用于氣體感測(cè)、將化學(xué)濃度的改變轉(zhuǎn)換成光學(xué)行為的改變的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，可設(shè)計(jì)和優(yōu)化成具有另一特定功能，以檢測(cè)其他化學(xué)物質(zhì)。
[0045]在實(shí)施例中，生化感測(cè)設(shè)備包括固定層，所述固定層布置為包含所述生化層。
[0046]在實(shí)施例中，生化感測(cè)設(shè)備的固定層是聚合物層、多孔質(zhì)層或凝膠層。所述固定層到設(shè)備的適應(yīng)設(shè)計(jì)為提供特定的化學(xué)結(jié)合和/或物理吸附和/或化學(xué)反應(yīng)，這將產(chǎn)生接近于所述波導(dǎo)和/或所述光柵結(jié)構(gòu)的光的介電常數(shù)的改變。
[0047]本發(fā)明的生化感測(cè)設(shè)備可包括光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)布置為重定向和/或改變所述第一光束和/或所述第二光束和/或所述入射光束的散度。
[0048]本發(fā)明的設(shè)備還可包括至少一個(gè)光電探測(cè)器。所述光學(xué)系統(tǒng)和光電探測(cè)器可類似于在本發(fā)明的氣體感測(cè)設(shè)備中實(shí)施的光學(xué)系統(tǒng)和光電探測(cè)器。使光學(xué)系統(tǒng)適應(yīng)于所述生化感測(cè)設(shè)備，允許設(shè)計(jì)傳感器平臺(tái)，該傳感器平臺(tái)適于多種多樣的可能的構(gòu)造，例如護(hù)理診斷點(diǎn)。
[0049]本發(fā)明的目的還通過用于感測(cè)生化物質(zhì)的方法獲得，該方法包括以下步驟:
[0050]-提供根據(jù)本發(fā)明的生化感測(cè)設(shè)備，
[0051]-將光源布置到導(dǎo)模共振設(shè)備的所述光柵結(jié)構(gòu)一側(cè)，或者使用來自其中使用生化感測(cè)設(shè)備的環(huán)境的可用光源，所述光源可以是太陽光或人工光源，
[0052]-應(yīng)用所述生化物質(zhì)，以使之分散，輸送或移動(dòng)到與所述生化層接觸，
[0053]-激發(fā)所述物質(zhì)和所述生化層之間的反應(yīng)，例如結(jié)合反應(yīng)和/或吸附反應(yīng)，
[0054]-通過眼睛觀察或者通過光電探測(cè)器檢測(cè)所述第一光束和所述第二光束的光譜分布的改變。
[0055]根據(jù)本發(fā)明的檢測(cè)生化物質(zhì)的方法允許提供檢測(cè)特定生化物質(zhì)的簡(jiǎn)單、便宜且快速的方式。這可用于例如生物監(jiān)測(cè)或診斷。這樣的生化物質(zhì)的示例是抗體。根據(jù)本發(fā)明的檢測(cè)生化物質(zhì)的方法可使用非常基本的光學(xué)系統(tǒng)，或者可在不存在額外的光學(xué)元件的情況下執(zhí)行，從而允許通過眼睛簡(jiǎn)單地觀察所述出射耦合的光束的顏色而檢測(cè)一個(gè)或多個(gè)生化物質(zhì)。
[0056]本發(fā)明還涉及安全文檔和/或包括如上面提到的所述導(dǎo)模共振設(shè)備的重要文檔。通過導(dǎo)模共振設(shè)備出射耦合的至少第一光束和第二光束的顏色亮度允許實(shí)現(xiàn)具有光變效應(yīng)(例如在可變的照射角和/或觀察角時(shí)強(qiáng)度和顏色的改變)的可見的安全信號(hào)，即高度對(duì)比的顏色。
【附圖說明】
[0057]在閱讀下面的詳細(xì)描述和附圖之后，本發(fā)明的上述目的和優(yōu)點(diǎn)將對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員變得更加顯而易見，在附圖中:
[0058]-圖1示出了導(dǎo)模共振設(shè)備的截面；
[0059]-圖2a示出了包括第一類型光柵結(jié)構(gòu)和第二類型光柵結(jié)構(gòu)的基本光柵結(jié)構(gòu)；
[0060]-圖2b示出了包括位于波導(dǎo)和基板之間的中間層的基本光柵結(jié)構(gòu)；
[0061 ]-圖3示出了導(dǎo)模共振設(shè)備的仿真；
[0062]-圖4a、4b、4c示出了包括至少兩個(gè)第一類型光柵結(jié)構(gòu)的基本光柵結(jié)構(gòu)的不同的實(shí)施例；
[0063]-圖5示出了包括第一類型光柵結(jié)構(gòu)、第二類型光柵結(jié)構(gòu)和第三類型光柵結(jié)構(gòu)的另一基本光柵結(jié)構(gòu)；
[0064]-圖6示出了其中每個(gè)包括第一類型光柵結(jié)構(gòu)和第二類型光柵結(jié)構(gòu)的、兩個(gè)協(xié)作的基本結(jié)構(gòu)的線性陣列；
[0065]-圖7a、7b示出了其中每個(gè)包括三個(gè)不同類型的光柵結(jié)構(gòu)的、兩個(gè)協(xié)作的基本結(jié)構(gòu)的線性陣列；
[ΟΟ??]-圖8a、8b、8c示出了基本光柵結(jié)構(gòu)的不同構(gòu)造；
[0067]-圖9示出了基本光柵結(jié)構(gòu)的二維(2D)陣列；
[0068]-圖10示出了包括基本光柵結(jié)構(gòu)的線性陣列的導(dǎo)模共振設(shè)備的俯視圖；
[0069]-圖11示出了包括導(dǎo)模共振設(shè)備的氣體感測(cè)設(shè)備；
[0070]-圖12示出了包括導(dǎo)模共振設(shè)備的生化傳感器；
[0071]-圖13示出了包括導(dǎo)模共振設(shè)備的安全元件。
【具體實(shí)施方式】
[0072]在文獻(xiàn)中充分地描述共振波導(dǎo)光柵(RWG)，RWG還稱為漏模濾波器或還稱為導(dǎo)模共振濾波器或?qū)９舱裨O(shè)備。這些設(shè)備的功能原理基于可在波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)中發(fā)生的共振現(xiàn)象。共振波導(dǎo)光柵由亞波長(zhǎng)光柵和薄膜波導(dǎo)的組合構(gòu)成。亞波長(zhǎng)光柵用作用于波導(dǎo)的入射耦合的光柵。當(dāng)通過光柵衍射的入射光的一部分與波導(dǎo)的模式匹配時(shí)，發(fā)生共振。由于光柵上的入射光的大多數(shù)光譜不耦合到波導(dǎo)中，所以可在反射和/或透射中觀察到強(qiáng)的光譜改變。共振效應(yīng)、其理論解釋及其應(yīng)用，已經(jīng)在過去廣泛地描述，且將不在此進(jìn)一步評(píng)論。關(guān)于該主題的相關(guān)信息可在下面的參考文獻(xiàn)中找到:
[0073]-Hessel 和 Oliner:應(yīng)用光學(xué)，第 4 卷，第 1275-1297 頁，1965);
[0074]-R.F.Delmdahl等人:“共振光柵波導(dǎo)的光譜分辨率分析(Spectral resolut1nanalysis of resonant grating waveguides)，，，Mat.Wiss.u.Werkstofftechc.，38，編號(hào)3,2007；
[0075]-D.Rosenblatt等人:“共振光棚.波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(Resonating grating waveguidestructures)” IEEE J.Quantum Electron.，第33卷，編號(hào) 11，第2038-2059 頁，1997 ；
[0076]-A.Sharon等人:“用于可見光和近紅外福射的共振光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(Resonatinggrating-wavegudie structures for visible and near-1nfrared radiat1n)，，，J.0pt.Soc.Am.，第 14卷，編號(hào) 11，第2985-2993頁，1997。
[0077]本發(fā)明的導(dǎo)模共振設(shè)備I的優(yōu)選的實(shí)施例在圖1中示出。所述優(yōu)選的實(shí)施例構(gòu)造包括以下基本構(gòu)造:
[0078]-基板10，包括適于接收光束40的入射光表面，所述入射光表面也定義為入射表面，也定義為基板平面，
[0079]-基本光柵結(jié)構(gòu)，布置在所述基板10上，適于接收光束，并包括具有兩個(gè)不同的光柵周期的至少兩個(gè)不同的光柵結(jié)構(gòu)，所述兩個(gè)不同的光柵結(jié)構(gòu)定義為第一類型光柵結(jié)構(gòu)22和第二類型光柵結(jié)構(gòu)24，
[0080]-波導(dǎo)層30，也定義為波導(dǎo)30，布置在所述基本光柵結(jié)構(gòu)2上，所述波導(dǎo)30布置為對(duì)通過所述兩個(gè)不同的光柵結(jié)構(gòu)耦合到所述波導(dǎo)30中的光的至少一部分進(jìn)行引導(dǎo)。
[0081]為了清楚起見，X方向、y方向和z方向限定為:z方向是限定為垂直于所述入射表面的法線方向的方向。X方向限定為基本上是耦合到所述波導(dǎo)層30中的光的行進(jìn)方向4 (該行進(jìn)方向也定義為引導(dǎo)方向)，以及y方向在波導(dǎo)30的平面中限定為垂直于X方向。7方向基本上對(duì)應(yīng)于光柵線的方向，光柵線也定義為光柵圖案，如進(jìn)一步限定的。由于在z方向上限定的波導(dǎo)厚度非常小，所以x-y平面基本上限定了基板平面。所述X方向、y方向和z方向在圖1中示出。
[0082]入射光束40也定義為入射光40，可以是可見光、近紅外光、紅外光或UV光或這些波長(zhǎng)范圍的組合光。如本文使用的詞語“可見”意思是具有在400nm和680nm之間的波長(zhǎng)的光，“近紅外”意思是具有在680nm和2μπι之間的波長(zhǎng)的光，“紅外”意思是具有大于2μπι的波長(zhǎng)的光，以及“UV”光意思是具有小于400nm的波長(zhǎng)的光。
[0083]基板10優(yōu)選地基本上是均勻?qū)樱瑑?yōu)選地是玻璃基板10，或者更優(yōu)選地是聚合物基板10。最終，基板10可包含額外的層，例如但不限于:粘附層、阻擋膜層或保護(hù)涂層。基板10可以是剛性基板10或者可以是柔性猜基板10?；?0的厚度可在5微米和20mm之間，優(yōu)選地在0.5mm和3mm之間。所述基板1可以對(duì)所述入射光束40的至少一部分不透明。基板1的折射率具有比波導(dǎo)30的折射率至少小0.05的值。
[0084]在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述光柵結(jié)構(gòu)直接布置在所述基板10的所述入射表面上。所述光柵結(jié)構(gòu)可優(yōu)選地但不限于通過壓花技術(shù)或UV鑄造技術(shù)或干反應(yīng)離子蝕刻(DRIE)-反應(yīng)蝕刻技術(shù)而實(shí)現(xiàn)，從而導(dǎo)致所述基板10的所述入射光表面的結(jié)構(gòu)化。所述第一類型光柵結(jié)構(gòu)22和所述第二類型光柵結(jié)構(gòu)24包括光柵圖案，光柵圖案也定義為光柵元件，布置為耦合入射在所述光柵結(jié)構(gòu)上的光。所述光柵元件可基本上是二元的，和/或正弦形的，和/或擺線形的光柵元件。所述第一類型光柵結(jié)構(gòu)22和所述第二類型光柵結(jié)構(gòu)24是具有不同的有效光柵周期的不同類型的光柵結(jié)構(gòu)。有效周期可以限定為在X方向上的周期。以下參數(shù)也可適用于不同的光柵類型:
[0085]-光柵深度(d)，限定在光柵圖案的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)之間，所述光柵深度具有亞波長(zhǎng)尺寸，
[0086]-光柵元件的寬度(W)，具有亞波長(zhǎng)尺寸，
[0087]-特征尺寸，定義為光柵元件的深度和寬度之間的比值d/w，
[0088]-光柵元件的形貌，限定在由入射光束40和通過所述光柵元件衍射的光束限定的X-Z平面中，
[0089]-位于基板10的表面的x-y平面中的光柵的圖案的形狀，
[0090]-位于x-y平面中的光柵的方向。
[0091]在本申請(qǐng)中，在x-y平面中相對(duì)于波導(dǎo)30具有不同方向的兩個(gè)相似的光柵也定義為不同類型的光柵，其原因是它們相對(duì)于波導(dǎo)30的傳播方向(X方向)的有效周期是不同的。所述第一類型光柵結(jié)構(gòu)和所述第二類型光柵結(jié)構(gòu)必然具有沿著光束在所述波導(dǎo)30內(nèi)部的傳播方向不同的有效光柵周期。這可通過具有兩個(gè)光柵類型來實(shí)現(xiàn)，這兩個(gè)光柵類型具有不同的周期，或者基本上具有相同的周期但是在x-y平面中相對(duì)于所述X方向(x方向基本上是行進(jìn)方向，該行進(jìn)方向也定義為進(jìn)入所述波導(dǎo)層30中的光的引導(dǎo)方向)具有不同的光柵方向。這種情況轉(zhuǎn)化成:第一光束42和第二光束44以相對(duì)于法線或z方向不對(duì)稱于入射光束40或者不平行于所述入射光束40的角度出射耦合。
[0092]作為示例，在可見光應(yīng)用中，光柵的光柵深度在5nm和300nm之間，優(yōu)選地在1nm和60nm之間。光柵深度和光柵周期具有亞波長(zhǎng)尺寸，該亞波長(zhǎng)尺寸選擇為使得對(duì)于將要耦合到波導(dǎo)30中的波長(zhǎng)范圍，實(shí)現(xiàn)中等到高的耦合效率。中等耦合效率允許輸送到所述共振波導(dǎo)光柵22中的光4不會(huì)太有效地出射耦合以及進(jìn)一步遠(yuǎn)離地傳播到所述波導(dǎo)30中。在共振波導(dǎo)光柵22的區(qū)域中進(jìn)一步的輸送距離能夠?qū)︸詈系讲▽?dǎo)30中的光更強(qiáng)的彩色或波長(zhǎng)濾波。
[0093]所述第一類型光柵結(jié)構(gòu)22和所述第二類型光柵結(jié)構(gòu)24中的每個(gè)可具有在如上所述的X方向和/或y方向上限定的不同的尺寸。
[0094]所述第一類型光柵結(jié)構(gòu)22和所述第二類型光柵結(jié)構(gòu)24可包括涂層，該涂層意在提高衍射效率和使光入射耦合到波導(dǎo)30中。所述涂層可以是多層涂層。
[0095]人們可以參考由
【申請(qǐng)人】遞交的專利申請(qǐng)PCT/EP2013/065631，以獲得關(guān)于所述第一類型光柵結(jié)構(gòu)22和/或所述第二類型光柵結(jié)構(gòu)24的實(shí)現(xiàn)方法的細(xì)節(jié)。所述第一類型光柵結(jié)構(gòu)22和所述第二類型光柵結(jié)構(gòu)24的實(shí)現(xiàn)方法不限于在PCT/EP2013/065631中公開的實(shí)現(xiàn)方法。應(yīng)該注意到的是，在專利申請(qǐng)PCT/EP2013/065631中討論的結(jié)構(gòu)被優(yōu)化以用于耦合到大的多模波導(dǎo)中，而在本文獻(xiàn)中，單模波導(dǎo)、雙模波導(dǎo)、三模波導(dǎo)是最令人感興趣的。超過3種模式的多模波導(dǎo)也是可行的。
[0096]所述波導(dǎo)層30也定義為波導(dǎo)30，優(yōu)選地是沉積在所述第一類型光柵結(jié)構(gòu)22和所述第二類型光柵結(jié)構(gòu)24的所述光柵元件上的波導(dǎo)涂層，且還可沉積或布置在基板10的表面的、使所述第一類型光柵結(jié)構(gòu)和所述第二類型光柵結(jié)構(gòu)24分開的那一部分上。所述第一類型光柵結(jié)構(gòu)22和所述第二類型光柵結(jié)構(gòu)24可彼此相鄰。所述波導(dǎo)層30布置在所述第一類型光柵結(jié)構(gòu)22和所述第二類型光柵結(jié)構(gòu)24上，以使位于所述第一類型光柵結(jié)構(gòu)22和所述第二類型光柵結(jié)構(gòu)24上的入射光40的一部分耦合到導(dǎo)模共振設(shè)備I的波導(dǎo)30中。所述波導(dǎo)30的材料可從包括Ti02、或Hf02、或Ta205、或Zr02、或A1N、或A1203、或ZnO、或Si02、或本征硅、或摻雜硅、或Si3N4、或MgF2、或CaF2、或MgO、或它們的組合的組中選擇。所述波導(dǎo)層30是具有在y方向上限定的、與所述光柵元件的也是在y方向上限定的寬度基本上相同的寬度的層。所述波導(dǎo)30可在y方向上比光柵結(jié)構(gòu)大，以及在如圖9中進(jìn)一步示出的，所述導(dǎo)模共振設(shè)備I的陣列在基板10上形成圖案的情況下，所述波導(dǎo)30可在整個(gè)基板10的表面上延伸。所述寬度通常是ΙΟμπι到100mm，優(yōu)選地是50μηι到ΙΟΟΟμηι。所述波導(dǎo)30的在z方向上限定的厚度取決于將要入射耦合到所述波導(dǎo)30中的光的波長(zhǎng)，通常是但不限于1nm到lOOOnrn。所述波導(dǎo)30可基本上具有條帶形狀。波導(dǎo)30可以是筆直的波導(dǎo)30或者可以是彎曲的波導(dǎo)30，如在x-y平面中限定的。波導(dǎo)30可具有在x-y平面中限定的更復(fù)雜的形狀，例如L形。波導(dǎo)30可布置為相交的波導(dǎo)30，在這種情況下，波導(dǎo)布置基本上具有X形，其中每個(gè)波導(dǎo)30至少包括第一類型光柵結(jié)構(gòu)和第二類型光柵結(jié)構(gòu)24。
[0097]所述第一類型光柵結(jié)構(gòu)22和所述第二類型光柵結(jié)構(gòu)24的所述光柵參數(shù)有利地選擇為使得所述第一類型光柵結(jié)構(gòu)22和所述第二類型光柵結(jié)構(gòu)24中的每個(gè)使所述入射光束40的不同部分耦合到所述波導(dǎo)30中。所述第一類型光柵結(jié)構(gòu)22將入射光40的第一部分32入射耦合到所述波導(dǎo)30中，以及所述第二類型光柵結(jié)構(gòu)24將入射光40的第二部分34入射耦合到所述波導(dǎo)30中。所述第一部分32和所述第二部分34可基本上具有相同的強(qiáng)度，但是不一定如此。在一些應(yīng)用中，所述第一部分32和所述第二部分34的導(dǎo)光功率可以相差2倍或甚至更大的倍數(shù)，例如10倍。第一類型光柵結(jié)構(gòu)22布置為將所述入射光束40的所述第二部分34的出射親合部分從所述波導(dǎo)30親合出來，所述出射親合部分限定第一光束42，以及第二類型光柵結(jié)構(gòu)24布置為將所述入射光束40的所述第一部分32的出射耦合部分從所述波導(dǎo)30耦合出來，所述出射耦合部分限定第二光束44。在本文獻(xiàn)中，術(shù)語“通信”在下文中定義為通過一個(gè)光柵類型將通過另一光柵類型入射耦合到波導(dǎo)30的另一位置的光束的一部分從波導(dǎo)30出射耦合出來。術(shù)語“通信”還包括以下情況，其中，兩個(gè)不同的光柵類型中的每個(gè)是通過所述兩個(gè)不同的光柵類型中的另一個(gè)入射耦合的光的出射耦合器。所述第一光束和第二光束的光功率密度優(yōu)選地基本上是相同的，但是它們還可以是不同的。所述第一光束42具有與所述第二光束44不同的光譜分布。
[0098]所述第一光束42和所述第二光束44中的每個(gè)具有優(yōu)選地與所述入射角相差超過10°的出射耦合角。在一個(gè)變體中，所述第一光束42和/或所述第二光束的孔徑小于10°，優(yōu)選地小于5°，更優(yōu)選地小于2°。
[0099]第一光束42和第二光束44將以取決于入射光束角和考慮的波長(zhǎng)范圍的角度傳播到所述導(dǎo)模共振設(shè)備的外部。對(duì)于特定的波長(zhǎng)范圍，通過選擇和優(yōu)化所述第一類型光柵結(jié)構(gòu)22的光柵參數(shù)、所述第二類型光柵結(jié)構(gòu)24的光柵參數(shù)以及波導(dǎo)30的材料和厚度，確定所述第一部分32和第二部分34。根據(jù)應(yīng)用和通過導(dǎo)模共振設(shè)備I實(shí)現(xiàn)的期望的光效應(yīng)，執(zhí)行所述選擇和優(yōu)化。
[0100]圖3示出了用于具有以下參數(shù)的導(dǎo)模共振設(shè)備I的共振位置的仿真結(jié)果:
[0101]-第一類型光柵結(jié)構(gòu)的光柵周期:270nm;
[0102]-第二類型光柵結(jié)構(gòu)的光柵周期:350nm;
[0103]-光柵深度:40nm;
[0?04]-波導(dǎo)厚度(在z方向上):lOOnm;
[0105]-波導(dǎo)折射率:2.4;
[0106]-基板10的折射率:1.5;
[0107]-在光柵結(jié)構(gòu)的入射光40側(cè)，氣體(空氣)的折射率:1；
[0108]-與基板法線的入射耦合角:33°。
[0109]圖3示出了對(duì)于周期是270nm和350nm的光柵以及入射角是33°，上述結(jié)構(gòu)的耦合共振的位置。
[0110]光在如下的中心波長(zhǎng)附近通過第一類型光柵22入射耦合到波導(dǎo)30中，以及在以下角度附近通過第二類型光柵24出射耦合:
[0111]-對(duì)于第TM-1衍射級(jí)，在450nm時(shí)，輸出角是11°;
[0112]-對(duì)于第TE-1衍射級(jí)，在515nm時(shí)，輸出角是8°。
[0113]光在如下的中心波長(zhǎng)附近通過第二類型光柵24入射耦合到波導(dǎo)30中，以及在以下角度附近通過第一類型光柵22出射耦合:
[0114]-對(duì)于第TM+1衍射級(jí)，在556nm時(shí)，輸出角是4°;
[0115]-對(duì)于第TE+1衍射級(jí)，在635nm時(shí)，輸出角是0°。
[0116]在本示例中，來自以33°的角度照射出入射光束40的光源的光，在用于第一類型光柵22和第二類型光柵24中的每個(gè)的兩個(gè)不同的波長(zhǎng)下，入射耦合導(dǎo)模共振設(shè)備1，對(duì)于用于每個(gè)類型的光柵的TE極化和TM極化中的每個(gè)，發(fā)生一個(gè)共振并將傳播到另一光柵類型。衍射級(jí)符號(hào)(對(duì)于第一類型光柵22是負(fù)的，而對(duì)于第二類型光柵24是正的)允許波導(dǎo)30中入射耦合的光束沿著相反的方向傳播。在對(duì)于給定的照射方向，第一光柵類型22和第二光柵類型24正確地布置在彼此的左邊或右邊時(shí)，波導(dǎo)30中的傳播模式將到達(dá)相對(duì)的光柵類型并出射耦合到第一光束和第二光束中。這4個(gè)耦合模式將通過另一類型的光柵以各種角度從波導(dǎo)30出射耦合，且每個(gè)耦合模式具有獨(dú)特的極化。作為示例，在光譜帶寬的中心在515nm時(shí)，通過第一類型光柵22耦合的第TE-1衍射級(jí)將通過第二類型光柵24以大約8°出射耦合。
[0117]所述第一類型光柵結(jié)構(gòu)22和所述第二類型光柵結(jié)構(gòu)24可彼此相鄰地布置，或者如圖2a中示出的，它們可通過所述波導(dǎo)30的一部分分開，所述一部分定義為分開部分35，所述分開部分35連接所述光柵結(jié)構(gòu)。所述分開部分35的長(zhǎng)度的選擇取決于應(yīng)用。在導(dǎo)模共振設(shè)備I用于感測(cè)應(yīng)用的情況下，所述分開部分35盡可能大地選擇，從而允許增強(qiáng)通過波導(dǎo)30引導(dǎo)的波的消散部分和與所述波導(dǎo)30接觸的直接環(huán)境的相互作用。分開部分35的長(zhǎng)度選擇為在受到沿著波導(dǎo)的光損失和基本光柵結(jié)構(gòu)的數(shù)量影響的、所述第一光束和所述第二光束的每單位表面面積上的光功率密度與期望的靈敏度之間獲得折衷。所述折衷取決于具體應(yīng)用。
[0118]所述分開部分35的通常的長(zhǎng)度是5μηι到5mm，優(yōu)選地是20μηι到0.5mm。例如在每單位面積上出射耦合的功率密度是主要期望的光學(xué)性質(zhì)的、用于安全設(shè)備的應(yīng)用中，所述分開部分35的長(zhǎng)度可基本上是零。在這種情況下，所述光柵結(jié)構(gòu)基本上彼此相鄰地布置并通過波導(dǎo)30連接，波導(dǎo)30在X方向上的長(zhǎng)度基本上是第一類型光柵結(jié)構(gòu)22和第二類型光柵結(jié)構(gòu)24的在X方向上限定的長(zhǎng)度之和。
[0119]所述第一類型光柵結(jié)構(gòu)22和所述第二類型光柵結(jié)構(gòu)24的在傳播光的方向(基本上是X方向)上的優(yōu)選尺寸在3μηι和2mm之間，優(yōu)選地在20μηι和0.5mm之間，且取決于考慮的波長(zhǎng)范圍。所述入射光束40的、垂直于所述入射光束40的傳播方向限定的截面，可完全地或部分地覆蓋在所述導(dǎo)模共振設(shè)備1、所述第一類型光柵結(jié)構(gòu)22和所述第二類型光柵結(jié)構(gòu)24的所述入射表面。入射光束40可以是至少部分地覆蓋所述第一類型光柵結(jié)構(gòu)22和所述第二類型光柵結(jié)構(gòu)24的單個(gè)光束。入射光束40可至少包括第一入射光束部分和第二入射光束部分，所述入射光束部分中的每個(gè)至少部分地照亮所述第一類型光柵結(jié)構(gòu)22或所述第二類型光柵結(jié)構(gòu)24。
[0120]入射光束40的截面的直徑取決于導(dǎo)模共振設(shè)備I的特定構(gòu)造，通常是0.1mm到30mm，優(yōu)選地是1mm到200mm。入射光束40可通過基本上的準(zhǔn)直光源提供，或者可通過漫射光源提供。光源可包括數(shù)個(gè)光源。
[0121]包括不透明層和至少一個(gè)孔徑的、意在對(duì)于入射光束40的一部分光譜至少部分地阻擋入射光40的掩膜，可布置到導(dǎo)模共振設(shè)備I。所述掩膜可至少包括面對(duì)所述第一類型光柵結(jié)構(gòu)22和所述第二類型光柵結(jié)構(gòu)24和/或所述波導(dǎo)30的開口。所述掩膜可與濾光器組合。所述掩膜可布置為至少減少一部分雜散光。濾光器可布置在所述導(dǎo)模共振設(shè)備I上。所述濾光器可與所述掩膜組合。
[0122]在另一實(shí)施例中，如圖4a、4b、4c中示出的，所述基本光柵結(jié)構(gòu)2可包括至少兩個(gè)第一類型光柵結(jié)構(gòu)。在圖4a、4b中示出的優(yōu)選的變體中，所述第二類型光柵結(jié)構(gòu)24布置在所述兩個(gè)第一類型光柵結(jié)構(gòu)22之間。在圖4a、4b的所述優(yōu)選的變體中，入射光束40的第一部分32通過第一類型光柵結(jié)構(gòu)22中的至少一個(gè)入射耦合，以及該第一部分32的至少一部分通過所述第二類型光柵結(jié)構(gòu)24出射耦合。在所述優(yōu)選的變體中，入射光束40的第二部分34通過第二類型光柵結(jié)構(gòu)24入射耦合，以及該第二部分34的至少一部分通過所述第一類型光柵結(jié)構(gòu)22中的一個(gè)出射耦合。在圖4a、4b中示出的所述優(yōu)選的變體中，所述兩個(gè)第一類型光柵結(jié)構(gòu)22中的一個(gè)布置為出射耦合器，而所述兩個(gè)第一類型光柵結(jié)構(gòu)22中的第二個(gè)布置為入射耦合器。
[0123]在圖4a、4b的實(shí)施例的變體中，如圖4c中示出的，所述兩個(gè)第一類型光柵結(jié)構(gòu)22中的一個(gè)可布置在所述第二類型光柵結(jié)構(gòu)24和所述第一類型光柵結(jié)構(gòu)22中的第二個(gè)之間。
[0124]所述第一類型光柵22和所述第二類型光柵24之間的光的交換即協(xié)作，可在波導(dǎo)30中的相同的傳播方向上進(jìn)行，或者可在兩個(gè)相反的方向上進(jìn)行，如圖4a、4b、4c中示出的。
[0125]在圖5中示出的進(jìn)一步的實(shí)施例中，超過2種不同類型的光柵結(jié)構(gòu)可布置在基本光柵結(jié)構(gòu)的陣列中。圖5示出了包括第一類型光柵結(jié)構(gòu)22、第二類型光柵結(jié)構(gòu)24和第三類型光柵結(jié)構(gòu)26的基本光柵結(jié)構(gòu)。圖5的導(dǎo)模設(shè)備出射親合3個(gè)不同的光束42、44、46。所述光束42、44、46中的每個(gè)可具有不同的顏色，且每一個(gè)可具有不同的光束形狀。
[0126]圖6示出了另一實(shí)施例，其中在導(dǎo)模共振設(shè)備I中，圖2的實(shí)施例的至少兩個(gè)基本光柵結(jié)構(gòu)布置為線性陣列。
[0127]在圖7a、7b中示出的另一實(shí)施例中，如在段落
[0066]中定義的且在圖5中示出的至少兩個(gè)基本光柵結(jié)構(gòu)布置為線性陣列。在圖7a、7b的實(shí)施例中，所述至少兩個(gè)基本光柵結(jié)構(gòu)通過在兩種不同類型的光柵結(jié)構(gòu)之間交換光而協(xié)作。所述兩種不同類型的光柵結(jié)構(gòu)可在單個(gè)基本光柵結(jié)構(gòu)2內(nèi)部在彼此之間協(xié)作，和/或布置在至少兩個(gè)分開的基本結(jié)構(gòu)中的兩種不同類型的光柵結(jié)構(gòu)可協(xié)作。即使當(dāng)兩種不同類型的光柵結(jié)構(gòu)布置在通過至少另一個(gè)基本光柵結(jié)構(gòu)2分開的兩個(gè)基本光柵結(jié)構(gòu)2中時(shí)，也可執(zhí)行所述光柵結(jié)構(gòu)之間的協(xié)作。
[0128]圖8a、8b、8c示出了基本光柵結(jié)構(gòu)2的線性陣列的數(shù)個(gè)示例性布置。陣列中不是所有的基本光柵結(jié)構(gòu)需要在每個(gè)基本光柵結(jié)構(gòu)中具有相同的光柵結(jié)構(gòu)布置。
[0129]在圖8a中，例如示出了陣列，其中，兩個(gè)基本光柵結(jié)構(gòu)中的每個(gè)包括分別定義為Gl、G2、G3的第一光柵結(jié)構(gòu)22、第二光柵結(jié)構(gòu)24和第三光柵結(jié)構(gòu)26。在圖8a的示例中，通過第一基本光柵結(jié)構(gòu)的G1、G2、G3入射耦合的光分別通過第二基本光柵結(jié)構(gòu)的G2、G3、G1出射耦合。圖8b和8c示出了圖8a的可選布置，其中，分別定義和示出為Gl、G2、G3、G4的4個(gè)不同的光柵類型布置為出射耦合器和/或入射耦合器。圖Sb示出了數(shù)個(gè)示例性出射耦合的光束42、44、46。顯而易見的是，基本光柵結(jié)構(gòu)2的可能的組合的數(shù)量以及布置在基本光柵結(jié)構(gòu)的陣列中的所述基本光柵結(jié)構(gòu)中的光柵結(jié)構(gòu)的類型的數(shù)量不限于圖8中示出的示例。
[0130]在另一實(shí)施例中，基本光柵結(jié)構(gòu)的線性陣列可至少包括布置在相鄰的基本光柵結(jié)構(gòu)之間的額外的光柵結(jié)構(gòu)25。這在圖Sb中示出。所述額外的光柵結(jié)構(gòu)可以是除了所述基本光柵結(jié)構(gòu)2的光柵結(jié)構(gòu)之外的另一類型。在一個(gè)變體中，至少微透鏡陣列可布置在兩個(gè)相鄰的基本光柵結(jié)構(gòu)2之間。在另一實(shí)施例中，基本光柵結(jié)構(gòu)2可至少包括微透鏡陣列。所述微透鏡陣列可布置為與基本光柵結(jié)構(gòu)2相鄰。在一個(gè)變體中，基本光柵結(jié)構(gòu)2可包括不與所述基本光柵結(jié)構(gòu)2的其他光柵結(jié)構(gòu)協(xié)作的額外的光柵結(jié)構(gòu)。所述額外的光柵結(jié)構(gòu)可例如用于將光從波導(dǎo)30耦合出來并確定是否存在雜散光，從而允許確定導(dǎo)模共振設(shè)備I是否損壞，或者所述額外的光柵結(jié)構(gòu)可用于強(qiáng)度參考目的。將所述額外的光柵結(jié)構(gòu)和/或所述微透鏡陣列布置到導(dǎo)模共振設(shè)備I的光柵結(jié)構(gòu)和/或波導(dǎo)30，可允許給導(dǎo)模共振設(shè)備I實(shí)現(xiàn)額外的功能。
[0131]在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，中間層可布置在基板10和光柵結(jié)構(gòu)之間。所述中間層的折射率相對(duì)于波導(dǎo)層30的折射率高0.05。在另一實(shí)施例中，光柵結(jié)構(gòu)可嵌入在所述波導(dǎo)30結(jié)構(gòu)中。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，波導(dǎo)30結(jié)構(gòu)可布置在所述基板10上，且所述光柵結(jié)構(gòu)可布置在所述波導(dǎo)30上。允許實(shí)現(xiàn)共振波導(dǎo)30設(shè)備的、基板10、波導(dǎo)30以及光柵結(jié)構(gòu)的可能的布置的數(shù)量，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是公知的，將不在此進(jìn)一步展開。
[0132]在進(jìn)一步的實(shí)施例中，涂層可布置到導(dǎo)模共振設(shè)備I的入射光40側(cè)。所述涂層可以是保護(hù)涂層，從而避免由于設(shè)備的操作導(dǎo)致可能的損壞。所述涂層可以是多層涂層。
[0133]在實(shí)施例中，如圖9中示出的，基本光柵結(jié)構(gòu)可布置為2D陣列。在所述2D陣列中，如描述的陣列的基本光柵結(jié)構(gòu)的所有不同的布置都是可行的。特定光學(xué)布置可允許來自所述2D陣列的一行的出射耦合的光束混合到來自另一行的出射耦合的光束，以及來自所述2D陣列的一列的出射親合的光束混合到來自另一列的出射親合的光束，以將不同的第一光束42和第二光束44組合成更復(fù)雜的出射耦合的光束。在實(shí)施例中，所述2D陣列可包括額外的光柵結(jié)構(gòu)?；竟鈻沤Y(jié)構(gòu)2的2D布置尤其用于安全設(shè)備130領(lǐng)域，如進(jìn)一步解釋的。
[0134]在特定情況下，根據(jù)本發(fā)明，導(dǎo)模共振設(shè)備I可布置為應(yīng)對(duì)至少兩個(gè)光源的存在，至少一個(gè)光源布置到導(dǎo)模共振設(shè)備I的每一側(cè)。
[0135]根據(jù)本發(fā)明的導(dǎo)模共振設(shè)備I的制造容易通過例如卷對(duì)卷工序進(jìn)行。另一方面，設(shè)計(jì)和創(chuàng)造導(dǎo)模共振設(shè)備I所需的技術(shù)相當(dāng)復(fù)雜和昂貴，這使得對(duì)于防偽和安全應(yīng)用，設(shè)備特別令人感興趣。
[0136]圖10示出了包括第一類型光柵和第二類型光柵的線性陣列的示例性導(dǎo)模共振設(shè)備I的通常的實(shí)現(xiàn)，所述第一類型光柵和第二類型光柵通過連續(xù)的波導(dǎo)30連接并在彼此的類型之間通信。
[0137]導(dǎo)模共振設(shè)備I的可能的應(yīng)用的數(shù)量和種類可以相當(dāng)廣泛。例如，設(shè)備可在氣體感測(cè)設(shè)備、生化傳感器或安全檢測(cè)系統(tǒng)和設(shè)備中實(shí)施，如進(jìn)一步概述的。導(dǎo)模共振設(shè)備I還可用作裝飾元件，如光伏電池中的元件。其中布置有導(dǎo)模共振設(shè)備I的設(shè)備或系統(tǒng)可具有在毫米到厘米的范圍內(nèi)的通常的尺寸，但是在一些應(yīng)用中，通常的尺寸可在米的范圍內(nèi)。對(duì)于可布置在設(shè)備或系統(tǒng)中的導(dǎo)模共振設(shè)備I的數(shù)量，不存在限制。
[0138]本發(fā)明還關(guān)注包括如上所述的導(dǎo)模共振設(shè)備I的氣體感測(cè)設(shè)備100。所述氣體感測(cè)設(shè)備100基于當(dāng)所述氣體的濃度改變時(shí)，由本發(fā)明的導(dǎo)模共振設(shè)備I的波導(dǎo)30引導(dǎo)的波的消散部分的吸收的改變。圖11中示出的所述氣體感測(cè)設(shè)備至少包括由波導(dǎo)30的部分35分開即由所述分開部分35分開的第一類似光柵結(jié)構(gòu)22和第二類型光柵結(jié)構(gòu)24。所述部分35的長(zhǎng)度適合于需要檢測(cè)的氣體的類型。優(yōu)選地，薄的化學(xué)敏感染料層至少布置到所述導(dǎo)模共振設(shè)備I的波導(dǎo)30。波導(dǎo)30的該部分允許由所述波導(dǎo)30引導(dǎo)的波的消散部分與所述化學(xué)敏感染料層相互作用。存在的或與所述化學(xué)敏感染料層直接接觸地流動(dòng)的氣體，將通過化學(xué)敏感染料層改變所述消散波的吸收。該吸收通過導(dǎo)模共振而強(qiáng)力地放大。當(dāng)所述吸收改變時(shí)，設(shè)備的出射耦合的光束的光譜分布將改變，并可容易地檢測(cè)。如此產(chǎn)生的顏色效果是很好地可見的效果，其原因是眼睛對(duì)所述出射耦合的光束的顏色的相對(duì)改變非常敏感。當(dāng)然，光譜分布的改變還可通過光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)，如進(jìn)一步解釋的。
[0139]根據(jù)本發(fā)明的用于氣體感測(cè)設(shè)備100的示例性構(gòu)造在圖11中示出。圖11的實(shí)施例中的氣體感測(cè)設(shè)備包括光源101和導(dǎo)模共振設(shè)備I。導(dǎo)模共振設(shè)備具有選擇的側(cè)向尺寸102和出射耦合的光束散度104、106，出射耦合的光束散度104、106中的每個(gè)由設(shè)備的所述基本光柵結(jié)構(gòu)提供，使得不同的出射耦合的光束的一部分可朝著觀察者的眼睛收斂。
[0140]在實(shí)施例中，所述氣體感測(cè)設(shè)備100包括光學(xué)系統(tǒng)，以將導(dǎo)模共振設(shè)備I的出射耦合的光束重定向到檢測(cè)器系統(tǒng)，該檢測(cè)器系統(tǒng)優(yōu)選地包括檢測(cè)器陣列。
[0141]本發(fā)明的目的進(jìn)一步通過用于通過使用如描述的氣體感測(cè)設(shè)備100檢測(cè)氣體或氣體濃度的改變的方法來實(shí)現(xiàn)。該方法包括以下步驟:
[0142]-提供如描述的氣體感測(cè)設(shè)備100，
[0143]-將光源布置到氣體感測(cè)設(shè)備1O的所述光柵結(jié)構(gòu)一側(cè)，
[0144]-引入氣體，或者改變位于所述光源和導(dǎo)模共振設(shè)備I之間的氣體的濃度，所述氣體布置為接觸所述光柵結(jié)構(gòu)和所述波導(dǎo)30，
[0145]-通過眼睛觀察或者通過光電探測(cè)器檢測(cè)所述第一光束42和所述第二光束44的光譜分布的改變。
[0146]本發(fā)明還關(guān)注包括如上所述的導(dǎo)模共振設(shè)備I的生化感測(cè)設(shè)備120?；瘜W(xué)傳感器和生化傳感器在日常生活中變得越來越重要。可向人們發(fā)出關(guān)于可危害生命的任何化學(xué)污染或危險(xiǎn)化學(xué)物質(zhì)和/或生物物質(zhì)的警告的視覺傳感器，特別令人感興趣。當(dāng)暴露到這樣的生化物質(zhì)時(shí)改變它們的顏色的不同的化學(xué)系統(tǒng)在出售，例如，當(dāng)液體的酸性改變時(shí)改變它的顏色的PH檢測(cè)試紙。例如用于檢測(cè)包裝食品的安全性的簡(jiǎn)單且便宜的傳感器也令人感興趣。基于純化學(xué)方法的檢測(cè)設(shè)備的主要缺點(diǎn)是它們的靈敏度低以及光學(xué)外觀的改變小。本發(fā)明的生化感測(cè)設(shè)備允許改進(jìn)這些限制。本發(fā)明的生化感測(cè)設(shè)備120基于由于本發(fā)明的導(dǎo)模共振設(shè)備I的模式共振的改變，導(dǎo)致導(dǎo)模共振設(shè)備的所述出射耦合的光束的光譜的改變。當(dāng)在導(dǎo)模共振設(shè)備I的波導(dǎo)30的表面發(fā)生生化反應(yīng)時(shí)。例如通過改變折射率，導(dǎo)模共振的共振條件改變，所以設(shè)備的出射耦合的光束的光譜分布改變。此外，本發(fā)明的導(dǎo)模共振設(shè)備I的波導(dǎo)30光柵的共振可用于強(qiáng)調(diào)所述波導(dǎo)30中引導(dǎo)波的消散部分的吸收的改變(歸因于所述消散波與其中發(fā)生生化反應(yīng)的所述生化層的相互作用)的視覺效果。通過選擇所述生化感測(cè)設(shè)備的長(zhǎng)的所述分開部分35，可相當(dāng)程度地放大布置到導(dǎo)模共振設(shè)備的波導(dǎo)30的薄層內(nèi)的光吸收。吸收的光的量取決于所述消散波的局部場(chǎng)幅度，由于生化反應(yīng)和與所述消散波相互作用的物質(zhì)的體積導(dǎo)致的本征吸收改變。
[0147]在圖12中示出的實(shí)施例中，所述生化感測(cè)設(shè)備120包括布置到波導(dǎo)30的表面的生化層121。施加到所述生化層的物質(zhì)可與所述生化層121反應(yīng)并產(chǎn)生反應(yīng)，使得波導(dǎo)30中傳播的光4的消散場(chǎng)被部分地吸收，或者由于所述生化層的折射率的改變導(dǎo)致所述消散波的傳播性質(zhì)改變。所述吸收和/或所述折射率的改變改變了導(dǎo)模共振設(shè)備I的共振條件。所述共振條件的任何改變改變了至少所述第一光束和第二光束44的光譜特性，從而允許檢測(cè)生化反應(yīng)。固定層可布置到導(dǎo)模共振設(shè)備I，具體地到包括波導(dǎo)30的一部分的表面的一部分。所述固定層可提高生化層到基本上位于所述波導(dǎo)30上的檢測(cè)區(qū)域的粘附性。在實(shí)施例中，聚合物層可布置在生化層121和波導(dǎo)30之間。在一個(gè)變體中，可布置凝膠。所述生化層或生化物質(zhì)可布置或包含在所述凝膠中。
[0148]在實(shí)施例中，生化感測(cè)設(shè)備120包括光學(xué)系統(tǒng)，以重定向?qū)９舱裨O(shè)備I的出射耦合的光束。這樣的構(gòu)造可類似于圖11中示出的構(gòu)造。
[0149]本發(fā)明還關(guān)注用于感測(cè)生化物質(zhì)的方法，該方法包括以下步驟:
[0150]-提供如上所述的生化感測(cè)設(shè)備120，
[0151]-將光源布置到導(dǎo)模共振設(shè)備I的所述光柵結(jié)構(gòu)的入射側(cè)，
[0152]-將所述生化物質(zhì)布置為與所述生化層接觸，以激發(fā)所述物質(zhì)和所述生化層之間的反應(yīng)，
[0153]-通過眼睛觀察或者通過光電探測(cè)器和適當(dāng)?shù)挠?jì)算裝置檢測(cè)所述第一光束42和所述第二光束44的光譜分布的改變。
[0154]本發(fā)明的另一目的通過包括如上所述的導(dǎo)模共振設(shè)備I的安全設(shè)備130實(shí)現(xiàn)。所述安全設(shè)備130投射具有如通過眼睛觀察的明亮的顏色的至少兩個(gè)光束。根據(jù)本發(fā)明的這樣的安全設(shè)備130的優(yōu)點(diǎn)在于:實(shí)現(xiàn)安全元件的設(shè)備的最初成本是昂貴的。所以安全元件難以仿造。通過所述安全元件獲得的顏色的質(zhì)量?jī)?yōu)于通過現(xiàn)有技術(shù)的安全元件實(shí)現(xiàn)的顏色的質(zhì)量。通過所述安全元件，例如如上面解釋的，通過將所述基本光柵結(jié)構(gòu)2布置為規(guī)則的或不規(guī)則的2D陣列，可獲得特定的光譜效應(yīng)。
[0155]可通過本發(fā)明的安全設(shè)備130獲得的特定的光變效應(yīng)可有別于現(xiàn)有技術(shù)中報(bào)道的設(shè)備，其原因是導(dǎo)模共振可設(shè)計(jì)以展現(xiàn)所述入射光束40的非常低的反射衍射，同時(shí)通過至少所述第一出射耦合的光束和/或第二出射耦合的光束展現(xiàn)非鏡面可變的顏色效果。可在UV和/或可見光和/或IR光譜范圍內(nèi)設(shè)計(jì)這樣的效果。實(shí)現(xiàn)具有本發(fā)明的導(dǎo)模共振設(shè)備I的安全設(shè)備130，可通過卷對(duì)卷復(fù)制技術(shù)產(chǎn)生并允許制造相對(duì)便宜的設(shè)備，該設(shè)備可與用于安全方面的具有高的安全度的其他光變?cè)O(shè)備組合，但是這些設(shè)備的原造技術(shù)和設(shè)計(jì)要求先進(jìn)設(shè)備?；谒鰧?dǎo)模共振設(shè)備I的這樣的光學(xué)安全設(shè)備可用于通過獨(dú)特的外觀啟動(dòng)其光學(xué)控制同時(shí)難以復(fù)制或偽造，來保護(hù)重要文檔，例如信托文檔、身份證件、駕駛證或其他許可證以及重要商品。
[0156]此外，如上所述，將諸如微透鏡的額外的結(jié)構(gòu)或額外的光柵布置到基本光柵結(jié)構(gòu)，可提供偽造所述安全設(shè)備130的難度。在大多數(shù)應(yīng)用中，通過眼睛觀察安全元件，通過以一定角度132旋轉(zhuǎn)安全設(shè)備來觀察顏色。通過改變?cè)O(shè)備的角度132，根據(jù)該角度132出現(xiàn)不同的顏色。安全設(shè)備130的基本光柵結(jié)構(gòu)可布置為使得當(dāng)在空間中旋轉(zhuǎn)安全設(shè)備時(shí)，出現(xiàn)不同的顏色改變。所述旋轉(zhuǎn)可在x-y平面中，在y-z平面中，或在所述平面中的兩個(gè)中進(jìn)行。在一個(gè)變體中，所述安全設(shè)備可插入至少包括光電探測(cè)器和適當(dāng)?shù)挠?jì)算裝置的檢測(cè)系統(tǒng)中，從而允許分析從安全設(shè)備130的導(dǎo)模共振設(shè)備I耦合出來的至少所述第一光束22和所述第二光束44的光譜分布。優(yōu)選地，安全設(shè)備可布置到文檔，或者到需要保護(hù)和/或控制其識(shí)別的任何目標(biāo)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種導(dǎo)模共振設(shè)備(I)，包括: -基板(10)，限定基板平面， -波導(dǎo)(30)， -與所述波導(dǎo)(30)關(guān)聯(lián)的光柵結(jié)構(gòu)，所述光柵結(jié)構(gòu)布置到所述基板(10)的入射表面(12)，所述入射表面(12)意在接收由至少一個(gè)光源提供的入射光束(40)，所述入射光束(40)具有相對(duì)于所述波導(dǎo)(30)的法線限定的入射角，所述光柵結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)基本共振光柵結(jié)構(gòu)，所述至少一個(gè)基本共振光柵結(jié)構(gòu)包括至少第一類型光柵結(jié)構(gòu)(22)和至少第二類型光柵結(jié)構(gòu)(24)， 其中: -所述波導(dǎo)(30)布置為將光從第一類型光柵結(jié)構(gòu)(22)傳遞到第二類型光柵結(jié)構(gòu)(24)，并且還將光從第二類型光柵結(jié)構(gòu)(24)傳遞到第一類型光柵結(jié)構(gòu)(22)， -所述波導(dǎo)(30)由折射率比鄰近波導(dǎo)(30)的與入射表面(12)相對(duì)一側(cè)的材料的折射率高至少0.05的材料制成， -所述第一類型光柵結(jié)構(gòu)(22)布置為將所述入射光束的第一部分(32)入射耦合到所述波導(dǎo)(30)中， -所述第二類型光柵結(jié)構(gòu)(24)布置為將所述入射光束(40)的第二部分(34)入射耦合到所述波導(dǎo)(30)中， -所述第一類型光柵結(jié)構(gòu)(22)布置為將所述入射光束的所述第二部分(34)的出射耦合部分從所述波導(dǎo)(30)親合出來，所述出射親合部分限定第一光束(42)， -所述第二類型光柵結(jié)構(gòu)(24)布置為將所述入射光束(40)的所述第一部分(32)的出射耦合部分從所述波導(dǎo)(30)耦合出來，所述出射耦合部分限定第二光束(44)， -所述第一光束(42)和所述第二光束(44)中的每個(gè)具有相對(duì)于波導(dǎo)(30)的法線限定的出射耦合角，所述出射耦合角限定為使得所述第一光束和第二光束(44)相對(duì)于波導(dǎo)(30)的法線不對(duì)稱于所述入射光束，且不平行于所述入射光束(40)， -所述第一光束(42)具有與所述第二光束(44)不同的光譜分布， -所述第一類型光柵結(jié)構(gòu)(22)和所述第二類型光柵結(jié)構(gòu)(24)具有不同的光柵周期和/或在所述基板平面中不同的光柵方向。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)模共振設(shè)備(I)，其中，所述基本光柵結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)第一類型光柵結(jié)構(gòu)(22)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的導(dǎo)模共振設(shè)備(I)，其中，所述第二類型光柵結(jié)構(gòu)(24)布置在所述兩個(gè)第一類型光柵結(jié)構(gòu)(22)之間，并且其中 -所述第一類型光柵結(jié)構(gòu)(22)中的一個(gè)布置為將所述入射光束(40)的第一部分(32)入射耦合到所述波導(dǎo)(30)中， -所述第一類型光柵結(jié)構(gòu)(22)中的一個(gè)布置為將所述入射光束(40)的所述第二部分(34)的出射親合部分從所述波導(dǎo)(30)親合出來，所述出射親合部分限定第一光束(42)。4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項(xiàng)所述的導(dǎo)模共振設(shè)備(I)，其中，所述波導(dǎo)(30)的材料可從包括 Ti02、或 Η??2、或 Ta205、或 Zr02、或 A1N、或 A1203、或 ZnO、或 Si02、或硅、或 Si3N4、或MgF2、或CaF2、或MgO、或它們的組合的組中選擇。5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任一項(xiàng)所述的導(dǎo)模共振設(shè)備(I)，其中，所述光柵結(jié)構(gòu)布置在面對(duì)所述入射光束(40)的基板平面上。6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任一項(xiàng)所述的導(dǎo)模共振設(shè)備(I)，其中，中間層(11)布置在所述基板(10)和所述光柵結(jié)構(gòu)之間。7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任一項(xiàng)所述的導(dǎo)模共振設(shè)備(I)，其中，所述第一光束(42)和所述第二光束(44)是可見光束。8.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任一項(xiàng)所述的導(dǎo)模共振設(shè)備(I)，其中，所述第一光束(42)和所述第二光束(44)中的至少一個(gè)是紅外光束。9.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任一項(xiàng)所述的導(dǎo)模共振設(shè)備(I)，其中，所述第一光束(42)和所述第二光束(44)中的至少一個(gè)是UV光束。10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中的任一項(xiàng)所述的導(dǎo)模共振設(shè)備(I)，其中，所述第一光束(42)和所述第二光束(44)的帶寬小于250nm，優(yōu)選地小于lOOnm，并且其中，所述帶寬的中心波長(zhǎng)相差超過I Onm，優(yōu)選地超過30nm，更優(yōu)選地超過50nm。11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中的任一項(xiàng)所述的導(dǎo)模共振設(shè)備(I)，其中，所述第一光束(42)和所述第二光束(44)具有與所述入射角相差超過10°的出射耦合角。12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中的任一項(xiàng)所述的導(dǎo)模共振設(shè)備(I)，其中，所述第一光束(42)和/或所述第二光束(44)的孔徑小于10°，優(yōu)選地小于5°，更優(yōu)選地小于2°。13.根據(jù)權(quán)利要求1或12中的任一項(xiàng)所述的導(dǎo)模共振設(shè)備(I)，包括所述基本光柵結(jié)構(gòu)的陣列，所述陣列包括至少兩個(gè)基本光柵結(jié)構(gòu)，所述陣列的每個(gè)基本光柵結(jié)構(gòu)布置為與相鄰的所述基本光柵結(jié)構(gòu)協(xié)作。14.根據(jù)權(quán)利要求1至13中的任一項(xiàng)所述的導(dǎo)模共振設(shè)備(I)，其中，至少第三類型光柵結(jié)構(gòu)布置在所述基本光柵結(jié)構(gòu)中，所述第三類型光柵結(jié)構(gòu)布置為與所述第一類型光柵結(jié)構(gòu)(22)相鄰或與所述第二類型光柵結(jié)構(gòu)(24)相鄰，所述第三類型光柵結(jié)構(gòu)(26)布置為將所述入射光束的第三部分入射耦合到所述波導(dǎo)(30)中，所述第三部分通過所述波導(dǎo)(30)傳遞到所述第一類型光柵結(jié)構(gòu)(22)或傳遞到所述第二類型光柵結(jié)構(gòu)，所述第三類型光柵結(jié)構(gòu)(26)進(jìn)一步布置為將所述入射光的所述第一部分(32)的一部分或所述入射光的所述第二部分(34)的一部分從波導(dǎo)(30)出射耦合出來，所述出射耦合部分限定第三光束(46)，所述第三光束(46)具有與在權(quán)利要求7至12中的任一項(xiàng)中描述的所述第一光束(42)或所述第二光束(44)的光學(xué)特性類似的光學(xué)特性。15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的導(dǎo)模共振設(shè)備(I)，包括所述基本結(jié)構(gòu)的陣列，所述陣列包括至少兩個(gè)基本結(jié)構(gòu)，所述陣列的每個(gè)基本結(jié)構(gòu)布置為與相鄰的所述基本結(jié)構(gòu)協(xié)作。16.根據(jù)權(quán)利要求1至15中的任一項(xiàng)所述的導(dǎo)模共振設(shè)備(I)，其中，所述基本結(jié)構(gòu)布置為二維陣列(50)。17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的導(dǎo)模共振設(shè)備(I)，其中，所述陣列包括基本結(jié)構(gòu)的平行的行。18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的導(dǎo)模共振設(shè)備(I)，其中，所述陣列包括基本結(jié)構(gòu)的不平行的行。19.根據(jù)權(quán)利要求1至18中的任一項(xiàng)所述的導(dǎo)模共振設(shè)備(I)，其中，所述基本結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括至少一個(gè)另外的光學(xué)結(jié)構(gòu)。20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的導(dǎo)模共振設(shè)備(I)，其中，所述另外的光學(xué)結(jié)構(gòu)是光柵結(jié)構(gòu)。21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的導(dǎo)模共振設(shè)備(I)，其中，所述另外的光學(xué)結(jié)構(gòu)是微透鏡陣列。22.根據(jù)權(quán)利要求1至21中的任一項(xiàng)所述的導(dǎo)模共振設(shè)備(I)，其中，另外的光學(xué)結(jié)構(gòu)布置為與所述基本結(jié)構(gòu)相鄰。23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的導(dǎo)模共振設(shè)備(I)，其中，所述另外的光學(xué)結(jié)構(gòu)是光柵結(jié)構(gòu)。24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的導(dǎo)模共振設(shè)備(I)，其中，所述另外的光學(xué)結(jié)構(gòu)是微透鏡陣列。25.根據(jù)權(quán)利要求1至23中的任一項(xiàng)所述的導(dǎo)模共振設(shè)備(I)，其中，涂層被布置到所述波導(dǎo)(30)的面對(duì)所述入射光束的一側(cè)，所述涂層至少布置在所述波導(dǎo)(30)的一部分上。26.—種氣體感測(cè)設(shè)備(100)，包括根據(jù)權(quán)利要求1至24中的任一項(xiàng)所述的導(dǎo)模共振設(shè)備(I)，其中導(dǎo)模共振設(shè)備(I)布置為使得通過所述氣體的濃度的改變，而改變所述第一光束(42)和/或所述第二光束(44)的光譜分布。27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的氣體感測(cè)設(shè)備(100)，包括光學(xué)系統(tǒng)，所述光學(xué)系統(tǒng)布置為重定向和/或改變所述第一光束(42)和/或所述第二光束(44)的散度。28.根據(jù)權(quán)利要求26或權(quán)利要求27所述的氣體感測(cè)設(shè)備(100)，包括至少一個(gè)光電探測(cè)器。29.—種用于氣體感測(cè)的方法，包括以下步驟: -提供根據(jù)權(quán)利要求26至28中的任一項(xiàng)所述的氣體感測(cè)設(shè)備(100)， -將光源布置到氣體感測(cè)設(shè)備(100)的所述光柵結(jié)構(gòu)一側(cè)， -將氣體引入到所述光源和導(dǎo)模共振設(shè)備(I)之間，或者改變所述光源和導(dǎo)模共振設(shè)備(I)之間的氣體的濃度，所述氣體布置為接觸所述光柵結(jié)構(gòu)和所述波導(dǎo)(30)， -通過眼睛觀察或者通過光電探測(cè)器檢測(cè)所述第一光束(42)和所述第二光束(44)的光譜分布的改變。30.—種生化物質(zhì)的生化感測(cè)設(shè)備(120)，包括根據(jù)權(quán)利要求1至24中的任一項(xiàng)所述的導(dǎo)模共振設(shè)備(I )，進(jìn)一步包括設(shè)計(jì)為與所述生化物質(zhì)反應(yīng)的生化層，所述生化層布置為與所述波導(dǎo)(30)和/或所述光柵結(jié)構(gòu)接觸，并且其中，所述生化感測(cè)設(shè)備(120)布置為使得通過所述生化物質(zhì)與所述生化層反應(yīng)，而改變所述第一光束(42)和/或所述第二光束(44)的光譜分布。31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的生化感測(cè)設(shè)備(120)，包括固定層，所述固定層布置為包含所述生化層。32.根據(jù)權(quán)利要求30所述的生化感測(cè)設(shè)備(120)，其中，所述固定層是聚合物層，優(yōu)選地是凝膠層。33.根據(jù)權(quán)利要求30至32中的任一項(xiàng)所述的生化感測(cè)設(shè)備(120)，包括光學(xué)系統(tǒng)，所述光學(xué)系統(tǒng)布置為重定向和/或改變所述第一光束(42)和/或所述第二光束(44)的散度。34.根據(jù)權(quán)利要求30至33中的任一項(xiàng)所述的生化感測(cè)設(shè)備(102)，包括至少一個(gè)光電探測(cè)器。35.—種用于感測(cè)生化物質(zhì)的方法，包括以下步驟: -提供根據(jù)權(quán)利要求30至34中的任一項(xiàng)所述的生化感測(cè)設(shè)備(120)， -將光源布置到導(dǎo)模共振設(shè)備(I)的所述光柵結(jié)構(gòu)一側(cè)，-將所述生化物質(zhì)布置為與所述生化層接觸，以激發(fā)所述物質(zhì)和所述生化層之間的反應(yīng)， -通過眼睛觀察或者通過光電探測(cè)器檢測(cè)所述第一光束(42)和所述第二光束(44)的光譜分布的改變。36.—種安全設(shè)備(130)，包括根據(jù)權(quán)利要求1至25中的任一項(xiàng)所述的導(dǎo)模共振設(shè)備(I)。
【文檔編號(hào)】G06K19/16GK105899983SQ201380081956
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2013年12月23日
【發(fā)明人】勞倫·達(dá)瓦納, 紀(jì)堯姆·巴塞
【申請(qǐng)人】瑞士Csem電子顯微技術(shù)研發(fā)中心