[發明專利]具有集成透鏡的波導

有效

• 申請號: 201080014792.8
• 申請日: 2010-02-24
• 公開（公告）號: CN102365566A
• 公開（公告）日: 2012-02-29
• 發明（設計）人: K·莫爾;K·沃格爾;M·德萊尼;M·洛克黑德;C·米亞特
• 申請（專利權）人: 精密光子學公司
• 主分類號: G02B6/10
• 分類號: G02B6/10;G02B6/32
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 蔣世迅

交叉參考相關申請

本申請主張2009年3月2日申請的且名稱為“具有集成透鏡的波 導(WAVEGUIDE?WITH?INTEGRATED?LENS)”的美國臨時專利 申請第61/156,586號及2009年11月12日申請的美國實用新型申請案 第12/617,535號的優先權，它們的公開內容以引用的方式并入本文中。

政府權益

本發明是在美國商務部授予的合約70NANB7H7053下由政府支 援完成。政府對本發明具有某些權利。

技術領域

本發明一般涉及用于樣品照明的波導。更明確言之，本發明涉及 緊鄰折射體積的平面波導。

背景技術

經熒光標記的探針提供一種判別生物樣品的含量特征的便利方 法。藉由調節熒光探針的結合化學，可達成用于復雜分子，諸如RNA、 DNA、蛋白質及細胞結構的檢測的高專一性。由于熒光團通常吸收及 再發射斯托克斯位移輻射而不管熒光團是結合或未結合至待檢測物 質，因此必須分離已結合熒光團與未結合熒光團。

從未結合熒光團分離已結合熒光團的一種常見方法依賴熒光標 記的物質的空間定位。例如，在“夾心免疫檢驗”中，化學處理表面以 將待檢測物質結合至該表面。熒光探針其后附接至已結合至該表面的 該物質。其后可利用洗滌步驟從系統移除未結合熒光團。

若可將激發光限制于該表面，則可進一步減少背景熒光。全內反 射熒光(TIRF)是減少背景熒光的一種方法。大體而言，當光自一種 介質傳播至另一種介質時，界面處將反射該光的一部分。然而，若光 傳播進入具較低光學折射率的材料，則當光束入射于表面上的角度(相 對于表面法線)大于“臨界角”時，將反射所有光。在較低折射率材料 中，光強度隨著離表面的距離而呈指數衰減。此指數衰減場，稱為“倏 逝場”，對可見光具有100納米至1微米數量級的特征衰減長度。因此， 倏逝場的光僅激發定位于表面處的熒光團。

在一簡化實施方案中，利用自表面反射一次的激光光束執行 TIRF。此是已為人接受的TIRF顯微術及其他生物感測技術的基礎。 然而，藉由將激光光束限制于波導內，可實現多次反射且可照亮較大 區域。若干波導幾何形狀是可行的，各自具有特定折衷。

單模平面波導，亦稱為薄膜波導或集成光學波導，將光限制于具 有小于傳播光的波長的薄尺寸的小橫截面區域中。單模波導的優點在 于產生明顯較強的倏逝場。單模波導的缺點在于為達成有效光耦合， 單模波導通常需要具有精確對準容限的棱鏡或光柵。另外，單模平面 波導制造昂貴，因為導引層通常為沉積于基底上具有嚴格厚度容限的 薄膜。相比之下，多模平面波導比單模平面波導實質上更容易耦合激 光光束且更易于建構。例如，標準1毫米厚顯微鏡載玻片可用作有效 波導，可經由載玻片邊緣將光耦合至該有效波導。另外，多模波導的 尺寸是與當前塑料注射成型技術相容。

對于基于熒光的檢驗系統，期望檢測區域中有均勻倏逝場。根據 定義，對于單模平面波導，倏逝場強度沿光傳播方向是均勻的(忽略 波導內部的散射損耗及吸收)。然而，對于可棄式臨床器件，成本、 穩健性及使用容易性是同樣重要的。藉由調整多模波導的輸入耦合， 可最佳化均勻性及場強度。

雖然多模波導中的每一個別模式沿傳播方向具有均勻強度，但是 當耦合至多模波導時可激發模式分布；此模式分布將于表面上相長干 涉及相消干涉且導致空間上變化的場強度。當波導厚度遠大于光波長 時，可忽略波導的模式結構，且波導中的強度可被處理作為自波導兩 個表面全內反射且與相鄰反射相干涉的習慣衍射光束。

圖1示出包括多模波導的既有耦合方案105-115的若干例子。使 用多模波導120的耦合方案105包括利用柱面透鏡130而將平行于波 導120傳播的激光光束125聚焦于波導120的邊緣中。然而，對于以 臨界角入射的光束，TIR光束的場強度是最大的，且對于具有與表面 法線成90°的入射角的光束(即，掠入射)，TIR光束的場強度為零。 因此，在方案105的配置中，平行于TIR表面的入射光束當利用柱面 透鏡130耦合至波導120時將具有小倏逝場強度。