纳米光场自旋-轨道相互作用测量系统及方法技术方案

一种旋性分辨的探针外差干涉装置、纳米光场自旋‑轨道相互作用测量系统和方法。所述探针外差干涉装置包括：分光模块，单束激光经过所述分光模块分为原测量光和原参考光；差频生成装置对原测量光和原参考光进行频率调制，输出预定频率差的测量光和参考光；测量光偏振控制装置设置在测量光的传输方向上；聚焦扫描装置设置在测量光偏振控制装置的参考光的输出方向上输出照明光；照明光激发样品产生纳米光场，孔径型扫描近场光学显微镜装置在近场探测收集纳米光场并输出样品信息光；参考光偏振补偿装置设置在参考光的传输方向上，参考光入射到参考光偏振补偿装置输出偏振补偿光；样品信息光和偏振补偿光传输至耦合装置发生干涉产生外差干涉光。

【技术实现步骤摘要】
纳米光场自旋-轨道相互作用测量系统及方法
本专利技术涉及纳米光学和纳米光子学测量领域，尤其涉及一种旋性分辨的探针外差干涉装置、纳米光场自旋-轨道相互作用测量方法和系统。
技术介绍
光在媒介中传播时同时存在着两种绕着光轴的转动，一种是源于光子的手性/旋性(chirality和helicity)在时间上的自旋转动，这种基于光子偏振的转动具有自旋角动量(spinangularmomentum)。另一种是源自光强度及相位在空间分布上的转动，这种基于光空间分布的转动具有轨道角动量(orbitangularmomentum)。当光子或光在非同质光学介质中传播或在光学表面发生折射或反射时，光子的自旋角动量及轨道角动量之间会相互耦合和转化，产生光子自旋-轨道相互作用。在传统几何光学器件中的光子自旋-轨道作用十分微弱难以观测。而纳米光学中的超构表面(Metasurface)器件可以作为一类有效的功能器件平台，可增强光子自旋-轨道相互作用，以实现观测。传统技术中，采用基于探针外差干涉技术的扫描近场光学显微镜可以实现相位分辨的超衍射光学分辨率的近场测量，但同时直接实现旋性分辨的近场测量很困难，因此无法直接在近场进行纳米光场自旋-轨道相互作用的测量研究。
技术实现思路
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够在介观尺度上简单直接地实现近场旋性及相位分辨的探针外差干涉装置、纳米光场自旋-轨道相互作用测量系统和方法。本专利技术提供一种旋性分辨的探针外差干涉装置，包括：分光模块，单束激光经过所述分光模块分为原测量光和原参考光；差频生成装置，设置在所述原测量光和原参考光的传输方向上，对原测量光和原参考光进行频率调制，输出测量光和参考光，并使所述测量光与所述参考光产生预定频率差；测量光偏振控制装置，设置在所述测量光的传输方向上，所述测量光入射到所述测量光偏振控制装置后对所述测量光的偏振态进行调整；聚焦扫描装置，设置在所述测量光偏振控制装置的参考光的输出方向上，对经过所述测量光偏振控制装置后的测量光进行聚焦输出照明光，并微调所述照明光相对于样品的激发位置；孔径型扫描近场光学显微镜装置，所述照明光激发所述样品产生纳米光场，所述孔径型扫描近场光学显微镜装置在近场探测收集所述纳米光场并输出样品信息光；参考光偏振补偿装置，设置在所述参考光的传输方向上，所述参考光入射到所述参考光偏振补偿装置后输出偏振补偿光；耦合装置，所述样品信息光与所述偏振补偿光入射到所述耦合装置发生干涉产生外差干涉光。在一个实施例中，所述差频生成装置包括：第一移频器和第一光阑，沿原测量光的传播方向依次设置；第二移频器和第二光阑，沿原参考光的传播方向依次设置；所述第一移频器和所述第二移频器为声光移频器或声光调制器。在一个实施例中，所述测量光偏振控制装置包括起偏器、四分之一波片或空间光调制器，沿所述测量光的传播方向依次设置。在一个实施例中，所述聚焦扫描装置包括：聚焦元件，所述测量光经过所述测量光偏振控制装置后入射到所述聚焦元件输出弱聚焦的照明光；扫描元件，所述扫描元件微调所述弱聚焦的照明光相对于样品的激发位置。在一个实施例中，所述孔径型扫描近场光学显微镜装置包括：扫描台，用于放置样品，所述扫描台中心开设有穿过所述扫描台的通光孔；扫描头，与所述样品相对设置；光纤探针，与所述扫描头联动设置，并与所述耦合装置连接，所述光纤探针的针尖近场探测所述样品的纳米光场并通过所述光纤探针的光纤传输所述样品信息光至所述耦合装置；扫描近场光学显微镜控制器，与所述扫描头及所述扫描台连接，用于同步控制所述扫描头及所述扫描台实现微米级及纳米级精度三维位移；视频显微镜和CCD摄像头，所述视频显微镜与所述扫描台搭载的样品相对设置，所述CCD摄像头固定于所述视频显微镜，用于辅助成像并反馈所述光纤探针与所述样品的相对位置。在一个实施例中，所述光纤探针为不镀膜的裸光纤探针或镀金属膜的孔径探针或为针尖粘附金属纳米微粒的功能探针或刻蚀螺旋线手性纳米结构的功能探针。在一个实施例中，所述参考光偏振补偿装置包括：电动半波片和电动四分之一波片，所述电动半波片和所述四分之一波片用于电控和补偿所述参考光的偏振态，沿所述参考光的传播方向依次设置；光纤偏振控制器，与所述耦合装置连接，所述光纤偏振控制器调节所述光纤偏振控制器的光纤中的偏振态并传输所述偏振补偿光至所述耦合装置；光纤准直耦合器，所述光纤准直耦合器置于所述电动四分之一波片和所述光纤偏振控制器之间。在一个实施例中，所述光纤准直耦合器为低数值孔径物镜或渐变折射率透镜，用于将空间光耦合进入所述光纤偏振控制器的光纤。在一个实施例中，所述耦合装置包括非保偏的光纤耦合器。在一个实施例中，所述探针外差干涉装置还包括：在一个实施例中，所述分光模块包括偏振分光器和反射镜，所述反射镜设置在所述偏振分光器的光出射方向上。本专利技术还提供一种纳米光场自旋-轨道相互作用测量方法，用于在介观尺度上测量纳米光场自旋-轨道相互作用，包括：通过参考光偏振补偿装置和耦合装置，采用旋性分辨检测方法，产生外差干涉光并获得选择的旋性或对旋性进行分辨；采用探针外差干涉方法，获得超光学衍射极限成像及相位分辨的性能。在一个实施例中，所述旋性分辨检测方法包括：采用正交偏振标定方法获得圆偏振补偿光，所述圆偏振补偿光与样品信息光在所述耦合装置中发生干涉产生所述外差干涉光；通过调整参考光偏振补偿装置控制和切换所述圆偏振补偿光的旋性，实现对所述样品的纳米光场的旋性分辨检测。在一个实施例中，所述正交偏振标定方法包括：采用标准左旋或右旋圆偏振的照明光入射至样品的非结构区域，调整所述参考光偏振补偿装置使所述耦合装置输出的外差干涉光达到消光状态，以得到右旋或左旋的圆偏振补偿光。在一个实施例中，所述探针外差干涉方法包括：光纤探针采集样品的纳米光场的近场高空间频率信息并传输至远场，以实现超光学衍射极限测量；原参考光与原测量光通过差频发生装置，产生的参考光与测量光具有预定频率差；对所述外差干涉光解调可实现对所述光纤探针所在位置的纳米光场的相对相位测量。本专利技术还提供一种纳米光场自旋-轨道相互作用测量系统，包括：激光发生装置，用于输出原测量光和原参考光；探针外差干涉装置，设置在所述激光发生装置光输出方向上，采用前述的探针外差干涉装置，用于产生外差干涉光；数据接收处理装置，设置在所述外差干涉光的输出方向上，用于接收所述外差干涉光并分析外差干涉信息。在一个实施例中，所述激光发生装置包括：激光器，所述激光器输出相干性好的单纵模激光；整形单元，所述单纵模激光经过所述整形单元输出单纵模和单横模的激光。在一个实施例中，所述整形单元包括：扩束器件、整形器件、准直器件、滤光器件，所述扩束器件、所述整形器件、所述准直器件和所述滤光器件沿所述激光器的光输出传输方向依次设置。在一个实施例中，所述数据接收处理装置包括：光电探测器，所述外差干涉光入射到所述光电探测器后输出交流电信号；锁相放大器，与所述光电探测器电连接；参考信号混频模块，与所述锁相放大器电连接，所述参考信号混频模块为所述锁相放大器提供参考频率信号，所述锁相放大器对所述交流电信号进行锁相和解调输出锁相解调信号；数据采集模块，与所述锁相放大器电连接，用于采集所述锁相解调信号。在一个实施例中，所述系统还包括计算控制终本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种旋性分辨的探针外差干涉装置，其特征在于，包括：分光模块，单束激光经过所述分光模块分为原测量光和原参考光；差频生成装置，设置在所述原测量光和原参考光的传输方向上，对原测量光和原参考光进行频率调制，输出测量光和参考光，并使所述测量光与所述参考光产生预定频率差；测量光偏振控制装置，设置在所述测量光的传输方向上，所述测量光入射到所述测量光偏振控制装置后对所述测量光的偏振态进行调整；聚焦扫描装置，设置在所述测量光偏振控制装置的参考光的输出方向上，对经过所述测量光偏振控制装置后的测量光进行聚焦输出照明光，并微调所述照明光相对于样品的激发位置；孔径型扫描近场光学显微镜装置，所述照明光激发所述样品产生纳米光场，所述孔径型扫描近场光学显微镜装置在近场探测收集所述纳米光场并输出样品信息光；参考光偏振补偿装置，设置在所述参考光的传输方向上，所述参考光入射到所述参考光偏振补偿装置后输出偏振补偿光；耦合装置，所述样品信息光与所述偏振补偿光入射到所述耦合装置发生干涉产生外差干涉光。

【技术特征摘要】
1.一种旋性分辨的探针外差干涉装置，其特征在于，包括：分光模块，单束激光经过所述分光模块分为原测量光和原参考光；差频生成装置，设置在所述原测量光和原参考光的传输方向上，对原测量光和原参考光进行频率调制，输出测量光和参考光，并使所述测量光与所述参考光产生预定频率差；测量光偏振控制装置，设置在所述测量光的传输方向上，所述测量光入射到所述测量光偏振控制装置后对所述测量光的偏振态进行调整；聚焦扫描装置，设置在所述测量光偏振控制装置的参考光的输出方向上，对经过所述测量光偏振控制装置后的测量光进行聚焦输出照明光，并微调所述照明光相对于样品的激发位置；孔径型扫描近场光学显微镜装置，所述照明光激发所述样品产生纳米光场，所述孔径型扫描近场光学显微镜装置在近场探测收集所述纳米光场并输出样品信息光；参考光偏振补偿装置，设置在所述参考光的传输方向上，所述参考光入射到所述参考光偏振补偿装置后输出偏振补偿光；耦合装置，所述样品信息光与所述偏振补偿光入射到所述耦合装置发生干涉产生外差干涉光。2.如权利要求1所述的旋性分辨的探针外差干涉装置，其特征在于，所述差频生成装置包括：第一移频器和第一光阑，沿原测量光的传播方向依次设置；第二移频器和第二光阑，沿原参考光的传播方向依次设置；所述第一移频器和所述第二移频器为声光移频器或声光调制器。3.如权利要求1所述的旋性分辨的探针外差干涉装置，其特征在于，所述测量光偏振控制装置包括起偏器、四分之一波片或空间光调制器，沿所述测量光的传播方向依次设置。4.如权利要求1所述的旋性分辨的探针外差干涉装置，其特征在于，所述聚焦扫描装置包括：聚焦元件，所述测量光经过所述测量光偏振控制装置后入射到所述聚焦元件输出弱聚焦的照明光；扫描元件，所述扫描元件微调所述弱聚焦的照明光相对于样品的激发位置。5.如权利要求1所述的旋性分辨的探针外差干涉装置，其特征在于，所述孔径型扫描近场光学显微镜装置包括：扫描台，用于放置样品，所述扫描台中心开设有穿过所述扫描台的通光孔；扫描头，与所述样品相对设置；光纤探针，与所述扫描头联动设置，并与所述耦合装置连接，所述光纤探针的针尖近场探测所述样品的纳米光场并通过所述光纤探针的光纤传输所述样品信息光至所述耦合装置；扫描近场光学显微镜控制器，与所述扫描头及所述扫描台连接，用于同步控制所述扫描头及所述扫描台实现微米级及纳米级精度三维位移；视频显微镜和CCD摄像头，所述视频显微镜与所述扫描台搭载的样品相对设置，所述CCD摄像头固定于所述视频显微镜，用于辅助成像并反馈所述光纤探针与所述样品的相对位置。6.如权利要求5所述的旋性分辨的探针外差干涉装置，其特征在于，所述光纤探针为不镀膜的裸光纤探针或镀金属膜的孔径探针或为针尖粘附金属纳米微粒的功能探针或刻蚀螺旋线手性纳米结构的功能探针。7.如权利要求1所述的旋性分辨的探针外差干涉装置，其特征在于，所述参考光偏振补偿装置包括：电动半波片和电动四分之一波片，所述电动半波片和所述四分之一波片用于电控和补偿所述参考光的偏振态，沿所述参考光的传播方向依次设置；光纤偏振控制器，与所述耦合装置连接，所述光纤偏振控制器调节所述光纤偏振控制器的光纤中的偏振态并传输所述偏振补偿光至所述耦合装置；光纤准直耦合器，所述光纤准直耦合器置于所述电动四分之一波片和所述光纤偏振控制器之间。8.如权利要求7所述的旋性分辨的探针外差干涉装置，其特征在于，所述光纤准直耦合器为低数值孔径物镜...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙琳，白本锋，张小萌，王佳，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11