一种非镜面反射效应的增强方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种利用空间偏振干涉对非镜面反射效应进行增强的方法和系统。该方法利用非镜面效应器件的偏振选择性，通过偏振控制器件，使入射光的不同偏振方向产生不同的空间强度和相位分布，再通过第二个偏振控制器件实现不同偏振方向偏振光的空间共线干涉，通过对偏振分量调节，使得反射光束中非镜面反射效应显著的部分发生相长或部分相长干涉、不显著的部分发生相消或部分相消干涉，从而进一步增强非镜面反射效应。以往测量均为对空间强度分布的单一测量，本发明专利技术提出的方法与系统通过空间偏振干涉将空间相位信息加载到空间强度分布中，实现了非镜面反射效应的极大增强。本发明专利技术可结合传感和光开关等，获得更高的系统检测灵敏度和更高的消光比。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种利用空间偏振干涉对非镜面反射效应进行增强的方法和系统。该方法利用非镜面效应器件的偏振选择性，通过偏振控制器件，使入射光的不同偏振方向产生不同的空间强度和相位分布，再通过第二个偏振控制器件实现不同偏振方向偏振光的空间共线干涉，通过对偏振分量调节，使得反射光束中非镜面反射效应显著的部分发生相长或部分相长干涉、不显著的部分发生相消或部分相消干涉，从而进一步增强非镜面反射效应。以往测量均为对空间强度分布的单一测量，本专利技术提出的方法与系统通过空间偏振干涉将空间相位信息加载到空间强度分布中，实现了非镜面反射效应的极大增强。本专利技术可结合传感和光开关等，获得更高的系统检测灵敏度和更高的消光比。【专利说明】一种非镜面反射效应的增强方法及系统
本专利技术涉及光束的非镜面反射效应及增强领域。本专利技术具体涉及非镜面反射效应的增强方法，以及实现该方法的实现系统。
技术介绍
当光束在界面发生反射时，当界面的反射率函数(包括强度和相位)不为常数时，将可能发生一系列非镜面反射现象。例如:光束中心在反射界面的入射点和出射点之间可以存在一定的侧向位移。这一现象首先由Goos和Hanchen通过实验证实，因而被称为古斯汉欣现象(Goos Hanchen effect)。作为非镜面反射的典型效应,古斯汉欣现象自被发现以来一度成为研究热点，在几十年间得到了深入研究。研究发现古斯汉欣现象的产生是由反射率函数中的角度相关的相位项的跳变引起的。对于接近准直的光束而言，古斯汉欣位移的大小由反射时光束经历的角度相关的相位跳变对于入射光波数的一阶导数决定。通常情况下，这种相位跳变不大，因此古斯汉欣位移的大小一般仅在波长量级，往往可被忽略。几十年来的研究发现可以通过材料的选择，如包括吸收材料、左手人工材料、金属薄膜、二维光子晶体等增强包括古斯汉欣效应在内的非镜面反射效应。近年来研究发现表面波的激发引起的相位跳变可以有效增强包括古斯汉欣效应在内的非镜面反射效应。在以往对非镜面反射效应的测量中，均为对空间强度分布的单一测量，本专利技术提出的方法与系统利用了非镜面反射效应所伴随的空间相位特性，通过空间偏振干涉，将空间相位信息加载到空间强度分布中，通过对偏振分量的调节，使得反射光束中非镜面反射效应显著的部分发生相长或部分相长干涉、非镜面反射效应不显著的部分发生相消或部分相消干涉，从而进一步增强非镜面反射效应。表面波是一种被束缚在界面处并可以沿着界面传播的振荡模式，这种模式的场强在界面处达到最大，并且在界面两侧都沿着垂直于界面的方向呈指数式衰减，从而模场被限制在界面附近，与界面两侧媒介的物理性质密切相关。常见的光学表面波包括表面等离子波和布洛赫表面波。表面等离子(Surface Plasmon,简称为SP)是沿着金属和电介质间界面传播的由金属表面电荷的集体振荡形成的振动模式；表面等离子波存在于两种介电常数符号相反(一般为金属与介质)的材料交界面上。表面等离子共振(Surface Plasmon Resonance,简称为SPR)是一种物理光学现象，可以利用光在棱镜界面处发生全内反射时的倏逝波等方式与金属表面等离子共振模式的耦合。当电场分量平行于入射平面的线偏振平面光波以特定角度入射在介质/金属界面上时，表面等离子的波矢与倏逝波的波矢匹配，入射光能量耦合到表面等离子波，达到表面等离子共振，从而导致反射光强度减小，且反射光波的相位也随之产生跳变。布洛赫表面波是另一种光学表面波，其存在于两种介电材料的分界面处，因而损耗较SPR要小得多，另一方面，布洛赫表面波一般存在于周期性结构中，并可以通过设计结构灵活实现在不同波长、不同偏振下的表面波激发。Yin等人研究了通过表面等离子共振增强的古斯汉辛效应，并提出可通过测量古斯汉辛位移进行传感检测，并有效提高了表面等离子共振传感器的检测灵敏度(AppliedPhysics Letters, 89 (2006) pp.261108)。这种方法将待测液体的浓度变化转化为折射率变化，进而表面等离子共振的条件发生变化，使得反射光相位发生变化，并转化为SPR结构中的增强的古斯汉辛位移变化，检测时通过检测由浓度变化引起的古斯汉辛位移的变化大小来确定待测样品折射率的变化。
技术实现思路
因此，本专利技术的任务是提供一种非镜面反射效应的增强方法；本专利技术的另一任务是提供一种非镜面反射效应的增强系统。一方面，本专利技术提供了一种非镜面反射效应的增强方法，包括以下步骤:(I)将光源产生的光束经过第一偏振控制器件，产生同时具有不同偏振分量的入射光束；(2)将所述入射光束入射到偏振相关的非镜面反射效应器件并反射，偏振相关的非镜面反射效应器件对于入射光束中的不同偏振分量产生不同的相位响应，非镜面反射效应器件使经过非镜面反射效应器件的反射光束中一个的偏振分量所对应的空间光场分布相对入射光束的空间光场分布在部分空间区域上发生变化，形成非镜面反射效应；(3)利用第二偏振控制器件使反射光束中的不同偏振分量共线通过并发生干涉；(4)设置第一偏振控制器件与第二偏振控制器件，使得反射光束中具有非镜面反射效应的空间光场区域形成相长干涉。上述方法中，所述步骤(I)和(3)中的第一偏振控制器件产生同时具有s和P方向的偏振分量。上述方法中，所述步骤(I)和(3)中两个偏振控制器件的设置使得通过光束可以为线偏振、圆偏振或椭圆偏振光，上述各器件的设置使得反射光束中的两个偏振方向分量发生空间干涉。上述方法中，所述步骤(4)通过设置第一偏振控制器件与第二偏振控制器件，使得反射光束中非镜面反射效应显著的部分发生相长或部分相长干涉、非镜面反射效应不显著的部分发生相消或部分相消干涉。在一个实例中，两个偏振控制器件的方向均调为使得s光分量与P光分量强度相同的45度线偏振方向，且相互平行。上述方法中，偏振相关的非镜面反射效应器件是指对于不同偏振光入射，在相同条件下(相同波长和相同入射角等条件下)，经过该非镜面反射效应器件的偏振光的空间相位和空间强度分布不同。在一个实例中，所述偏振相关的非镜面反射效应器件可通过激发偏振敏感的表面波来实现，当偏振相关的表面波被激发时，该相位器件使得经过的某一偏振光的空间相位和空间强度分布发生改变，而另一偏振光的空间相位和空间强度分布几乎不受影响。在一个实例中，所述偏振相关的非镜面反射效应器件为表面等离子共振器件，由50nm左右的金属薄膜组成，可在P偏振下激发表面等离子体共振(表面等离子体波)。在一个实例中，所述偏振相关的非镜面反射效应器件为全介质材料组成的布洛赫表面波结构，可在设计的偏振态下激发布洛赫表面波。在一个实例中，所述布洛赫表面波结构为截断的一维光子晶体结构，即周期交替的介质薄层并以一个缓冲层结尾的结构。在一个实例中，所述偏振相关的非镜面反射效应器件为金属包覆的波导器件。在一个实例中，所述偏振相关的非镜面反射效应器件为介质波导器件。在一个实例中，所述偏振相关的非镜面反射效应器件为光子晶体器件。在一个实例中，所述偏振相关的非镜面反射效应器件为左手材料器件。在一个实例中，所述偏振相关的非镜面反射效应器件为双棱镜结构器件。在一个实例中，所述偏振相关的非镜面反射效应器件为吸收材料全反射器件。上述方法中，所述光束以固定角度入射到所述偏振相关的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非镜面反射效应的增强方法，包括以下步骤：（1）将光源产生的光束经过第一偏振控制器件，产生同时具有不同偏振分量的入射光束；（2）将所述入射光束入射到偏振相关的非镜面反射效应器件并反射，偏振相关的非镜面反射效应器件对于入射光束中的不同偏振分量产生不同的相位响应，非镜面反射效应器件使经过非镜面反射效应器件的反射光束中一个的偏振分量所对应的空间光场分布相对于入射光束的空间光场分布在部分空间区域上发生变化，形成非镜面反射效应；（3）利用第二偏振控制器件使反射光束中的不同偏振分量共线通过并发生干涉；（4）设置第一偏振控制器件与第二偏振控制器件，使得反射光束中具有非镜面反射效应的空间光场区域形成相长干涉。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：万育航，郑铮，孔维敬，舒莉雅，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：