第一章、 前言
1.2 文獻回顧
1.2.3 波導增強螢光
波導是一種光學元件，在此舉平面波導(Planar waveguide)為例來介紹波導之特性[8]，
平面波導在分析上定義為無限延伸的三層不同折射率之結構，如圖 1.5 所示，|𝑥| < 𝑎層 稱為芯層(Core)，|𝑥| > 𝑎的兩層分別為基層(Substrate)與包層(Clad)，蕊層、基層與包層 的折射率分別為 n0、ns和 nc，且 n0>ns>nc，依其入射角θ的不同，可以分為三種模態，
如圖 1.6 所示，由司乃耳定律(snell’s law)可知，當光在其中傳遞的入射角θ > sin−1 nsn0時，
光可以在其中全反射傳遞，稱為導模態(Guided mode)，而當sin−1 nsn0 > θ > sin−1 ncn0時，
基層會有光洩漏出去，稱為基層輻射模態(Substrate radiation mode)，而當θ < sin−1 ncn0時，
基層與包層皆會有光洩漏出去，稱為基層包層輻射模態(Substrate-clad radiation mode)，
一般來說若作為波導都希望能量損耗最小，但具有洩漏模態(Leaky-mode)的波導其實可 以有一些特殊的應用，如增強螢光。
圖1.5 平面光波導
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(a)
(b)
(c)
圖1.6 平面波導模態種類，(a)導模態(b)基層輻射模態(c)基層包層輻射模態 波導增強螢光有別於透過金屬表面與激發光作用產生表面電漿，進而增強螢光分子 鄰近電場來增強螢光激發的方式，而是透過使激發光耦合到波導結構中，進而增強螢光 分子之鄰近電場[9]，如由 Holland 與 Hall 在 1985 年提出之 waveguide mode enhancement of molecular fluorescence[9]，其元件如圖 1.7，是由玻璃基板，銀與氟化鋰構成之三層結 構，氟化鋰層折射率較銀與空氣高，可以視為蕊層，入射激發光會耦合到其中，並增強 其螢光分子 Rhodamine B 之鄰近電場。
如同波導增強螢光，在波導上加上光柵結構，就是所謂的波導光柵(Waveguide grating)，這使激發光可以輕易的耦合到波導中，此方法又稱為光子晶體增強螢光
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(Photonic crystal enhanced fluorescence , PCEF)，其以兩種機制來增強螢光[10]，分別為增 強激發與增強萃取，這兩個機制都是來自導模共振(Guide mode resonance , GMR)[11]的 應用，如圖 1.8 所示，當入射光以適當角度與波長入射此結構時，會耦合到此介電層的 共振模態中，在其中傳遞，然後又很快地以特定角度輻射到外部，此時背向輻射(D-)會 與零階反射光(R)有建設性干涉，而正向輻射(D+)會與零階穿透光(T)有破壞性干涉，於 是入射光產生零穿透，所以其頻譜圖在特定波長會有高反射，如圖 1.9 所示，由於導模 共振元件在特定波長與偏振時具有高反射的特性，所以其實也被應用在作為濾波器、偏 振 片 、 垂 直 腔 面 雷 射 之 反 射 鏡 、 生 物 感 測 器 、 環 境 與 化 學 感 測 器 等 [ 1 2 , 1 3 ] 。
圖1.7 波導增強螢光元件[9]
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圖1.8 導模共振，入射光被耦合到光柵結構中，以漸逝波傳遞一段距離後被輻射至外 部[14]
圖1.9 波導光柵頻譜圖，寬頻光源以零度入射一波導光柵之穿透與反射率分布
10 共振角[11, 12]，其共振波長可以在計算出結構之等效波導折射率(Effective guide index ,
𝑛𝑒𝑓𝑓)後，利用導模共振之發生條件(式 5)來求得[18]：
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深度為 70 nm 時，其穿透率頻譜圖之半高寬(Full width half maximum , FWHM)最寬，使 得雷射激發螢光的入射角之容許激發角度範圍較廣，對於大面積的微陣列可以有均勻的 螢光激發[18]。
圖1.10 增強激發與增強萃取機制示意圖，(a)增強激發示意圖，激發雷射耦合到光子 晶體之共振模態中並增強表面電場進而增強螢光之激發，(b)增強萃取示意圖，朝 光子晶體放射的部分螢光被耦合到光子晶體之共振模態中，之後再被耦合出來並導 向偵測器，(c)玻璃基板，由於雷射激發光與螢光不會與玻璃基板產生共振，所以 沒有增強螢光效果
(a) (b)
(c)
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圖1.11 不同結構在各種入射角下之穿透率比較，兩個不同光柵深度的漸逝共振晶片，
分別為 70 nm 與 40 nm，與一個光柵深度 12 nm 之平面波導晶片在不同激發光入射 角 下 之 穿 透 率 分 布 ， 可 看 出 漸 逝 共 振 晶 片 頻 譜 結 構 的 半 高 寬 會 比 較 寬 [ 1 8 ]