一種光學(xué)芯片及熒光成像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種光學(xué)芯片及熒光成像系統(tǒng)，所述光學(xué)芯片基于Tamm耦合發(fā)射實(shí)現(xiàn)定向出射，所述光學(xué)芯片包括：透明基底；位于所述透明基底一表面的布拉格反射層；以及，位于所述布拉格反射層背離所述透明基底一側(cè)的金屬膜層；其中，所述金屬膜層形成有至少一個(gè)通孔，且所述通孔內(nèi)填充有熒光分子。本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案，利用布拉格反射層和金屬膜層之間產(chǎn)生Tamm等離激元，與熒光分子被激發(fā)后出射的熒光耦合，以形成Tamm模式的耦合出射，實(shí)現(xiàn)熒光的定向出射；并且對于特定波長的熒光，由于波矢分量很小，能夠?qū)崿F(xiàn)接近垂直于表面的方向出射，本實(shí)用新型提供的光學(xué)芯片不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且加工成本低。
【專利說明】
一種光學(xué)芯片及焚光成像系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及熒光技術(shù)的生物檢測領(lǐng)域，更為具體的說，涉及一種光學(xué)芯片及熒光成像系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]熒光技術(shù)在光學(xué)、化學(xué)、分子生物學(xué)、以及醫(yī)學(xué)等方面有重要應(yīng)用，如何有效的探測熒光信號(hào)是人們重點(diǎn)關(guān)注的問題。在自由空間熒光分子發(fā)出的熒光是各向同性的，實(shí)現(xiàn)熒光的定向輻射是提高熒光探測效率的關(guān)鍵問題之一。近年來，很多近場方法被用來調(diào)控?zé)晒獾姆较蛐?。例如銀膜上中心小孔周圍刻寫周期性環(huán)形槽結(jié)構(gòu)，對熒光有很好的定向和波長選擇作用；金膜上刻寫有限尺寸的六邊形陣列，這樣的結(jié)構(gòu)也能使位于中心位置的熒光分子的輻射光場以一定方向出射。但是，這些結(jié)構(gòu)的光學(xué)芯片都存在著一定的局限性。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003]有鑒于此，本實(shí)用新型提供了一種光學(xué)芯片及熒光成像系統(tǒng)，利用布拉格反射層和金屬膜層之間產(chǎn)生Tamm等離激元，與熒光分子被激發(fā)后出射的熒光耦合，實(shí)現(xiàn)熒光的定向出射，不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且加工成本低。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案如下:
[0005]—種光學(xué)芯片，所述光學(xué)芯片基于Tamm耦合發(fā)射實(shí)現(xiàn)定向出射，所述光學(xué)芯片包括:
[0006]透明基底；
[0007]位于所述透明基底一表面的布拉格反射層；
[0008]以及，位于所述布拉格反射層背離所述透明基底一側(cè)的金屬膜層；
[0009]其中，所述金屬膜層形成有至少一個(gè)通孔，且所述通孔內(nèi)填充有熒光分子。
[00?0]可選的，所述布拉格反射層包括:
[0011]多個(gè)沿所述透明基底至金屬反射膜層方向交替設(shè)置的第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層，且所述布拉格反射層靠近所述透明基底和金屬膜層的介質(zhì)層均為第一介質(zhì)層；
[0012]其中，所述第一介質(zhì)層的折射率大于所述第二介質(zhì)層的折射率，且所述布拉格反射層靠近所述金屬膜層的第一介質(zhì)層為缺陷層。
[0013]可選的，所述第一介質(zhì)層為氮化硅層；
[0014]所述第二介質(zhì)層為二氧化硅層。
[0015]可選的，所述熒光分子通過溶于溶液、摻雜于樹脂材料或標(biāo)記在生物分子上的方式被填充于所述通孔內(nèi)。
[0016]可選的，所述透明基底為玻璃基底或樹脂基底。
[0017]可選的，所述金屬膜層為銀膜。
[0018]可選的，所述金屬膜層的厚度范圍不小于lOOnm。
[0019]相應(yīng)的，本實(shí)用新型還提供了一種熒光成像系統(tǒng)，所述熒光成像系統(tǒng)包括上述光學(xué)芯片。
[0020]相較于現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案至少具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0021]本實(shí)用新型提供了一種光學(xué)芯片及熒光成像系統(tǒng)，所述光學(xué)芯片基于Tamm耦合發(fā)射實(shí)現(xiàn)定向出射，所述光學(xué)芯片包括:透明基底;位于所述透明基底一表面的布拉格反射層；以及，位于所述布拉格反射層背離所述透明基底一側(cè)的金屬膜層;其中，所述金屬膜層形成有至少一個(gè)通孔，且所述通孔內(nèi)填充有熒光分子。本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案，利用布拉格反射層和金屬膜層之間產(chǎn)生Tamm等離激元，與熒光分子被激發(fā)后出射的熒光耦合，以形成Tamm模式的親合出射，實(shí)現(xiàn)焚光的定向出射;并且對于特定波長的焚光，由于波矢分量很小，能夠?qū)崿F(xiàn)接近垂直于表面的方向出射，本實(shí)用新型提供的光學(xué)芯片不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且加工成本低。
【附圖說明】
[0022]為了更清楚地說明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。
[0023]圖1為本申請實(shí)施例提供的一種光學(xué)芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為本申請實(shí)施例提供的另一種光學(xué)芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖3為本申請實(shí)施例提供的一種光學(xué)芯片的效果示意圖；
[0026]圖4為本申請實(shí)施例提供的一種光學(xué)芯片的制作方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
[0028]正如【背景技術(shù)】所述，很多近場方法被用來調(diào)控?zé)晒獾姆较蛐?，例如銀膜上中心小孔周圍刻寫周期性環(huán)形槽結(jié)構(gòu)，對熒光有很好的定向和波長選擇作用；金膜上刻寫有限尺寸的六邊形陣列，這樣的結(jié)構(gòu)也能使位于中心位置的熒光分子的輻射光場以一定方向出射。但是，這些結(jié)構(gòu)的光學(xué)芯片都存在著一定的局限性，其主要存在的問題包括:1、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上述的光學(xué)芯片都具有復(fù)雜的表面結(jié)構(gòu)，需要用過表面復(fù)雜結(jié)構(gòu)之間的相互作用來實(shí)現(xiàn)熒光的調(diào)控。2、要求苛刻，表面的周期性結(jié)構(gòu)或陣列結(jié)構(gòu)的尺寸和相對位置都有很精確的要求，這在很大程度上增加了微納加工制造的困難。3、不易操作，這些光學(xué)天線只能對置于表面結(jié)構(gòu)中心位置的而熒光分子進(jìn)行調(diào)控，這就需要精確控制熒光分子的位置。4、損耗大，金屬介電常數(shù)的虛部很大，利用表面金屬結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)熒光調(diào)控的光學(xué)芯片，其損耗就很大，降低了熒光探測效率。
[0029]基于此，本申請實(shí)施例提供了一種光學(xué)芯片、制作方法及熒光成像系統(tǒng)，利用布拉格反射層和金屬膜層之間產(chǎn)生Tamm等離激元，與熒光分子被激發(fā)后出射的熒光耦合，實(shí)現(xiàn)熒光的定向出射，不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且加工成本低。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本申請實(shí)施例提供的技術(shù)方案如下，具體結(jié)合圖1至圖4所示，對本申請實(shí)施例提供的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0030]參考圖1所示，為本申請實(shí)施例提供的一種光學(xué)芯片的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，所述光學(xué)芯片基于Tamm耦合發(fā)射實(shí)現(xiàn)定向出射，所述光學(xué)芯片包括:
[0031]透明基底100;
[OO32 ]位于所述透明基底100—表面的布拉格反射層200 ；
[0033]以及，位于所述布拉格反射層200背離所述透明基底100—側(cè)的金屬膜層300;
[0034]其中，所述金屬膜層300形成有至少一個(gè)通孔310，且所述通孔310內(nèi)填充有熒光分子320。
[0035]由于布拉格反射層與包括有通孔的金屬膜層之間會(huì)產(chǎn)生Tamm等離激元，且由于金屬的負(fù)的介電常數(shù)和光子晶體布拉格反射的自身禁帶，其具有很強(qiáng)的局域性，因此，本申請實(shí)施例提供的技術(shù)方案，利用布拉格反射層和金屬膜層之間產(chǎn)生的Tamm等離激元，與熒光分子被激發(fā)后出射的焚光親合，以形成Tamm模式的親合出射，實(shí)現(xiàn)焚光的定向出射；由于不同波長的熒光對應(yīng)不同出射角度，因此通過設(shè)定特定波長的熒光，由于波矢分量很小，能夠?qū)崿F(xiàn)接近垂直于表面的方向出射。
[0036]與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于本申請?zhí)峁┑募夹g(shù)方案只需要在金屬膜層上刻蝕通孔即可，而無需在金屬膜層表面制作復(fù)雜的表面結(jié)構(gòu)來調(diào)控?zé)晒廨椛涔鈭?，并且，本申請對于通孔的形狀、位置、尺寸等均無嚴(yán)格要求，因此本申請?zhí)峁┑墓鈱W(xué)芯片不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且加工成本低；另外，由于本申請?zhí)峁┑墓鈱W(xué)芯片的金屬膜層上還可以包括多個(gè)獨(dú)立的通孔，且每個(gè)通孔里出射的熒光都能夠接近垂直出射，因而可以在同一光學(xué)芯片上對多個(gè)信號(hào)進(jìn)行探測，從而實(shí)現(xiàn)高通量檢測。
[0037]具體的，參考圖2所示，為本申請實(shí)施例提供的另一種光學(xué)芯片的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，所述光學(xué)芯片包括:
[0038]透明基底100、布拉格反射層200和金屬膜層300;
[0039]以及，所述布拉格反射層200包括:
[0040]多個(gè)沿所述透明基底100至金屬反射膜層300方向X交替設(shè)置的第一介質(zhì)層210和第二介質(zhì)層220，且所述布拉格反射層200靠近所述透明基底100和金屬膜層300的介質(zhì)層均為第一介質(zhì)層210;
[0041]其中，所述第一介質(zhì)層210的折射率大于所述第二介質(zhì)層220的折射率，且所述布拉格反射層220靠近所述金屬膜層300的第一介質(zhì)層為缺陷層211。
[0042]在本申請一實(shí)施例中，所述第一介質(zhì)層為氮化硅層;而所述第二介質(zhì)層為二氧化硅層。此外，在本申請其他實(shí)施例中，第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層還可以為其他材質(zhì)，對此本申請實(shí)施例不做具體限制，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行具體的選取。
[0043]需要說明的是，本申請?zhí)峁┑墓鈱W(xué)芯片，能夠通過改變第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層的材質(zhì)，通過改變第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層的厚度，以及，通過改變第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層的數(shù)量，來調(diào)控?zé)晒馀cTamm等離激元共振耦合的共振峰的位置，以得到不同的熒光波長角度分布圖，實(shí)現(xiàn)特定波長的小角度出射。因此，本申請實(shí)施例對提供的第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層的厚度范圍不做具體限制，其需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用和介質(zhì)層的材質(zhì)等因素進(jìn)行具體的考慮。
[0044]可選的，在本申請一實(shí)施例中，在所述第一介質(zhì)層為氮化硅層，而所述第二介質(zhì)層為二氧化硅層時(shí)，除缺陷層外所有第一介質(zhì)層的厚度可以為55nm，第二介質(zhì)層的厚度為105nm，而缺陷層的厚度為50nm，且第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層的數(shù)量總和為13?；蛘?，在本申請其他實(shí)施例中，在所述第一介質(zhì)層為氮化硅層，而所述第二介質(zhì)層為二氧化硅層時(shí)，第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層的厚度還可以為其他數(shù)值，且第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層的數(shù)量總和為其他數(shù)值。
[0045]在本申請上述任意一實(shí)施例中，熒光分子需要被填充至通孔內(nèi)，其中，本申請實(shí)施例提供的所述熒光分子可以通過溶于溶液、摻雜于樹脂材料或標(biāo)記在生物分子上等方式被填充于所述通孔內(nèi)。較佳的，所述溶液可以包括羅丹明B乙醇溶液，而所述樹脂材料可以包括聚甲基丙烯酸甲酯。
[0046]以及，本申請實(shí)施例提供的所述透明基底可以為玻璃基底或樹脂基底，或者，為其他透明材質(zhì)的基底，對此需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行具體選取。
[0047]以及較佳的，本申請實(shí)施例提供的所述金屬膜層為銀膜;其中，所述金屬膜層的厚度范圍不小于lOOnm，對于金屬膜層的厚度本申請不做具體限制，其可以為lOOnm，還可以為200nm、300nm等，其需要根據(jù)金屬膜層材質(zhì)等因素進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。
[0048]下面結(jié)合圖3對本申請一具體的光學(xué)芯片進(jìn)行進(jìn)一步的描述。其中，光學(xué)芯片的布拉格反射層由氮化硅層和二氧化硅層交替組成，且氮化硅層和二氧化硅層的總數(shù)量為13;除缺陷層外氮化硅層的厚度設(shè)置為55nm，二氧化硅層的厚度為105nm，缺陷層的厚度為50nm。金屬膜層為銀膜，且其厚度為200nm;其上通孔為圓柱形通孔，且直徑為600nm。焚光分子通過溶于羅丹明B乙醇溶液的方式填充至通孔，且其濃度為10—4mol/L，該光學(xué)芯片在波長為577nm處的光有很強(qiáng)的透射，羅丹明B的發(fā)射峰在580nm附近。
[0049]參考圖3所示，為本申請實(shí)施例提供的一種光學(xué)芯片的效果示意圖，其中，a、b和c所對應(yīng)小圖分別表示熒光發(fā)射波長為560nm、580nm和600nm時(shí)的前焦面的圖像，可以看出僅有通孔中的熒光分子被點(diǎn)亮;d、e和f分別表示熒光發(fā)射波長為560nm、580nm和600nm時(shí)的前焦面的圖像，在熒光出射波長為580nm時(shí)，與Tamm模式耦合出射的熒光幾乎垂直出射。
[0050]以及，結(jié)合圖中g(shù)所對應(yīng)的熒光發(fā)射波長對應(yīng)出射角度分布圖，以直觀了解不同熒光發(fā)射波長時(shí)的熒光出射角度，位于通孔中的熒光分子被532nm的激光激發(fā)后，出射的熒光與布拉格反射層和銀膜界面處的Tamm等離激元耦合，對于不同波長的熒光，會(huì)以不同角度輻射出去。用后焦面表征熒光的出射角度，后焦面上的不同位置，對應(yīng)不同的出射角度，當(dāng)熒光發(fā)射波長為560nm時(shí)，熒光的出射角約為17.63度；當(dāng)熒光發(fā)射波長為580nm時(shí)，熒光幾乎以O(shè)度出射;當(dāng)熒光發(fā)射波長為600nm時(shí)，不能觀察到Tamm模式的耦合出射光。
[0051]相應(yīng)的，本申請實(shí)施例還提供了一種光學(xué)芯片的制作方法，應(yīng)用于制作上述任意一實(shí)施例提供的光學(xué)芯片，參考圖4所示，為本申請實(shí)施例提供的一種光學(xué)芯片的制作方法的流程圖，其中，所述制作方法包括:
[0052]S1、提供一透明基底；
[0053]S2、在所述透明基底一表面形成布拉格反射層；
[0054]S3、在所述布拉格反射層背離所述透明基底一側(cè)形成金屬膜層，其中，所述金屬膜層形成有至少一個(gè)通孔，且所述通孔內(nèi)填充有熒光分子。
[0055]在本申請中，對于通孔的制作工藝不做具體限制，其中，在本申請一實(shí)施例中，所述通孔可以通過聚焦離子束刻蝕于所述金屬膜層上；
[0056]或者，在本申請另一實(shí)施例中，所述通孔可以通過納米壓印方式制作于所述金屬膜層上。
[0057]此外，本申請實(shí)施例的金屬膜層，可以采用磁控濺射真空設(shè)備鍍膜的方式形成。其中，當(dāng)金屬膜層為銀膜時(shí)，通過磁控濺射真空設(shè)備鍍膜的方式能夠保證銀膜的厚度足夠大，以阻止通孔以外的熒光透過，保證探測熒光分子的準(zhǔn)確度高。
[0058]相應(yīng)的，本申請實(shí)施例還提供了一種熒光成像系統(tǒng)，所述熒光成像系統(tǒng)包括上述任意一實(shí)施例提供的光學(xué)芯片。
[0059]本申請實(shí)施例提供了一種光學(xué)芯片、制作方法及熒光成像系統(tǒng)，所述光學(xué)芯片基于Tamm親合發(fā)射實(shí)現(xiàn)定向出射，所述光學(xué)芯片包括:透明基底;位于所述透明基底一表面的布拉格反射層；以及，位于所述布拉格反射層背離所述透明基底一側(cè)的金屬膜層;其中，所述金屬膜層形成有至少一個(gè)通孔，且所述通孔內(nèi)填充有熒光分子。本申請實(shí)施例提供的技術(shù)方案，利用布拉格反射層和金屬膜層之間產(chǎn)生Tamm等離激元，與熒光分子被激發(fā)后出射的焚光親合，以形成Tamm模式的親合出射，實(shí)現(xiàn)焚光的定向出射;并且對于特定波長，由于波矢分量很小，能夠?qū)崿F(xiàn)接近垂直于表面的方向出射，本申請實(shí)施例提供的光學(xué)芯片不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且加工成本低。
[0060]對所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本實(shí)用新型。對這些實(shí)施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本實(shí)用新型的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本實(shí)用新型將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種光學(xué)芯片，所述光學(xué)芯片基于Tamm耦合發(fā)射實(shí)現(xiàn)定向出射，其特征在于，所述光學(xué)芯片包括: 透明基底； 位于所述透明基底一表面的布拉格反射層； 以及，位于所述布拉格反射層背離所述透明基底一側(cè)的金屬膜層； 其中，所述金屬膜層形成有至少一個(gè)通孔，且所述通孔內(nèi)填充有熒光分子。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)芯片，其特征在于，所述布拉格反射層包括: 多個(gè)沿所述透明基底至金屬反射膜層方向交替設(shè)置的第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層，且所述布拉格反射層靠近所述透明基底和金屬膜層的介質(zhì)層均為第一介質(zhì)層； 其中，所述第一介質(zhì)層的折射率大于所述第二介質(zhì)層的折射率，且所述布拉格反射層靠近所述金屬膜層的第一介質(zhì)層為缺陷層。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)芯片，其特征在于，所述第一介質(zhì)層為氮化硅層； 所述第二介質(zhì)層為二氧化硅層。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)芯片，其特征在于，所述熒光分子通過溶于溶液、摻雜于樹脂材料或標(biāo)記在生物分子上的方式被填充于所述通孔內(nèi)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)芯片，其特征在于，所述透明基底為玻璃基底或樹脂基底。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)芯片，其特征在于，所述金屬膜層為銀膜。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)芯片，其特征在于，所述金屬膜層的厚度范圍不小于10nm08.—種熒光成像系統(tǒng)，其特征在于，所述熒光成像系統(tǒng)包括權(quán)利要求1?7任意一項(xiàng)所述光學(xué)芯片。
【文檔編號(hào)】G01N21/64GK205643163SQ201620391748
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年4月28日
【發(fā)明人】邱冬, 張斗國, 王茹雪, 朱良富, 王沛, 明海
【申請人】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)