基于光自旋霍尔效应旋转的溶液参数测量方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于光自旋霍尔效应旋转的溶液参数测量方法及装置，通过特定的设置条件，光自旋分裂将随入射偏振微小改变而发生巨大旋转，因此能极大地放大入射偏振变化

【技术实现步骤摘要】
基于光自旋霍尔效应旋转的溶液参数测量方法及装置


[0001]本专利技术涉及光学
，特别是涉及一种基于光自旋霍尔效应旋转的溶液参数测量方法及装置
。

技术介绍

[0002]溶液浓度与手性是物质的重要属性
。
手性能反映物质的分子结构，决定材料的物理和化学特性
。
在材料
、
化工
、
生物
、
医学等领域，溶液浓度与手性测量有着广泛而重要的应用
。
[0003]测量溶液浓度与手性的常规光学方法，一般根据手性溶液的旋光现象，即溶液浓度正比于线偏振光经溶液后偏振面的旋转角度，手性的正负决定于旋转的方向
。
但是，常规对角度的测量仪器精度不超过
0.01
°
，由此导致测量溶液浓度与手性的精度不高
。
[0004]近年来，人们提出了新的传感方法测量溶液浓度与手性，如利用光自旋霍尔效应，可以达到更高精度
(
典型地
10
‑4g/ml)。
但是，对于更小浓度的溶液，仍然缺乏经济
、
高精度方法测量
。
虽然，人们可以采用光谱仪，但是，装置成本高
。
因此，寻找一种低成本
、
高精度的溶液浓度与手性测量方法，至今仍是一个值得研究的问题
。
[0005]光自旋霍尔效应是近年来新发现的一种光学现象，具体指线偏振光在非均匀介质
(
如界面反射和折射
)
中传播时横向分裂成左
、
右旋圆偏振光的现象
。
光自旋霍尔效应的方式和大小反映物质的性质，因此已应用于测量和表征材料
。
通常采用的方法是，测量光自旋分裂导致的强度移动
。
由于强度测量的是光斑重心，容易造成误差，而且强度易受环境光的干扰，因此，该方法的精度受到限制
。

技术实现思路

[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于光自旋霍尔效应旋转的溶液参数测量方法及装置
。
本专利技术实现简单，装置成本低，精度高且可调，可测浓度范围宽
。
[0007]一种基于光自旋霍尔效应旋转的溶液参数测量方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1，使偏振态的入射光束照射向电介质，并在电介质的界面上反射时产生光自旋霍尔效应
。
其中电介质的界面上入射光束的偏振方向是与入射面呈一定夹角
。
[0009]步骤2，用检偏器改变反射光束的偏振方向从而产生两个能够被观察到的同等大小的分裂光斑
。
记录下此时检偏器的偏振方向与垂直方向的夹角，其中垂直方向是与入射面垂直的方向
。
[0010]步骤3，将待测的溶液置于入射光束的光路上从而改变入射光束的偏振方向，然后再次改变检偏器的偏振方向与垂直方向之间的夹角，直至产生与步骤2中相同的分裂光斑，并计算出此时检偏器相较于步骤2中所改变的角度
φ
。
[0011]步骤4，根据下式计算溶液的浓度参数
c
：
[0012][0013]其中
d
是光通过溶液的光程，
α
是溶液的旋光率，
r
p
是入射光束在入射面方向上的偏振部分的反射系数，
r
s
是入射光束在垂直方向上的偏振部分的反射系数
。
[0014]所述的方法，还包括溶液手性参数的测量过程：
[0015]在记录夹角
φ
时，根据
φ
的正负，得出溶液的手性，其中
φ
为正是指检偏器顺时针旋转，则溶液的手性为右旋
。
φ
为负是指检偏器逆时针旋转，则溶液手性为左旋
。
[0016]所述的方法，所述的步骤1中，入射光的入射角度是接近布儒斯特角的角度，从而使
φ
大于入射光束在步骤3中因溶液改变的偏振方向的角度
。
[0017]一种基于光自旋霍尔效应旋转的溶液参数测量装置，包括用于产生偏振态的入射光束的入射光产生装置
、
电介质
、
分裂光斑产生装置
、
溶液容器和光束检测装置
。
[0018]所述的电介质的界面上发生光自旋霍尔效应
。
[0019]所述的入射光产生装置产生的入射光束的偏振方向是与入射面呈一定夹角
。
[0020]所述的分裂光斑产生装置包括检偏器，检偏器设置于待测介质界面处产生的反射光束的光路上，并改变自身偏振方向与垂直方向的夹角，来使反射光束的偏振发生改变，以产生能够被观察到的两个同等大小的分裂光斑，其中垂直方向是与入射面垂直的方向
。
[0021]所述的溶液容器内装有待测溶液，并在分裂光斑产生装置使反射光束产生两个同等大小的分裂光斑后，再置入入射光产生装置所产生的入射光束的光路上，从而改变入射光束的偏振方向
。
[0022]所述的光束检测装置接收并检测分裂光斑，以使检偏器能够基于检测结果，在溶液容器置入前后通过调整自身偏振方向与垂直方向的夹角，来得到相同的分裂光斑，进而得到检偏器在溶液容器置入前后所改变的角度
φ
，从而计算出溶液的浓度参数
。
[0023]所述的装置，所述的入射偏振光产生装置包括光源，以及沿光源产生的光束的光路依次设置的入射透镜和起偏器，其中起偏器用于使入射光束产生入射面方向上的偏振
。
[0024]所述的装置，所述的分裂光斑产生装置包括沿反射光束的光路依次设置的检偏器和反射透镜，其中检偏器用于改变反射光束在垂直方向上的偏振方向
。
[0025]所述的装置，入射光束的入射角度为接近布儒斯特角的角度，从而使
φ
大于入射光束因溶液置入而改变的偏振方向的角度
。
[0026]所述的装置，在获得
φ
后，是根据下式计算溶液的浓度参数
c
：
[0027][0028]其中
d
是光通过溶液的光程，
α
是溶液的旋光率，
r
p
是入射光束在入射面方向上的偏振部分的反射系数，
r
s
是入射光束在垂直方向上的偏振部分的反射系数
。
[0029]所述的装置，在获得
φ
后，根据
φ
的正负，得出溶液的手性，其中
φ
为正是指检偏器顺时针旋转，则溶液的手性为右旋
。
φ
为负是指检偏器逆时针旋转，则溶液手性为左旋
。
[0030]本专利技术的技术效果在于，本专利技术的溶液参数测量方法装置简单，成本经济
。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于光自旋霍尔效应旋转的溶液参数测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，使偏振态的入射光束照射向电介质，并在电介质的界面上反射时产生光自旋霍尔效应；其中电介质的界面上入射光束的偏振方向是与入射面呈一定夹角；步骤2，用检偏器改变反射光束的偏振方向从而产生两个能够被观察到的同等大小的分裂光斑；记录下此时检偏器的偏振方向与垂直方向的夹角，其中垂直方向是与入射面垂直的方向；步骤3，将待测的溶液置入入射光束的光路上从而改变入射光束的偏振方向，然后再次改变检偏器的偏振方向与垂直方向之间的夹角，直至产生与步骤2中相同的分裂光斑，并计算出此时检偏器相较于步骤2中所改变的角度
φ
；步骤4，根据下式计算溶液的浓度参数
c
：其中
d
是光通过溶液的光程，
α
是溶液的旋光率，
r
p
是入射光束在入射面方向上的偏振部分的反射系数，
r
s
是入射光束在垂直方向上的偏振部分的反射系数
。2.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括溶液手性参数的测量过程：在记录夹角
φ
时，根据
φ
的正负，得出溶液的手性，其中
φ
为正是指检偏器顺时针旋转，则溶液的手性为右旋；
φ
为负是指检偏器逆时针旋转，则溶液手性为左旋
。3.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤1中，入射光的入射角度是接近布儒斯特角的角度，从而使
φ
大于入射光束在步骤3中因溶液置入而改变的偏振方向的角度
。4.
一种基于光自旋霍尔效应旋转的溶液参数测量装置，其特征在于，包括用于产生偏振态的入射光束的入射光产生装置
、
电介质
、
分裂光斑产生装置
、
溶液容器和光束检测装置；所述的电介质的界面上发生光自旋霍尔效应；所述的入射光产生装置产生的入射光束的偏振方向是与入射面呈一定夹角；所述的分裂光斑产生装置包括检偏器，检偏器设置于待测介质界面处产...

【专利技术属性】
技术研发人员：舒维星，邓婵娟，罗海陆，文双春，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：