CN103743674A - 一种非镜面反射效应的增强方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种非镜面反射效应的增强方法及系统

技术领域

本发明涉及光束的非镜面反射效应及增强领域。本发明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。 

背景技术

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，本发明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（Applied Physics 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。 

发明内容

因此，本发明的任务是提供一种非镜面反射效应的增强方法；本发明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，本发明提供了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（1）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（1）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非镜面反射效应器件表面。 

在一个实例中，所述光束为从单色激光器经过准直器、透镜组进行准直、扩束等变换的单色光束。 

在一个实例中，所述光束为从宽谱光源中输出并经过窄带滤光片后获得的窄带光束。 

另一方面，本发明还提供了一种非镜面反射效应的增强系统，包括光源、第一偏振控制器件、偏振相关的非镜面反射效应器件、第二偏振控制器件。 

进一步地，还包括能对非镜面反射效应进行检测的检测设备和对检测得到的信号进行处理和非镜面反射参数提取。 

图1给出了一种对非镜面反射效应进行增强的系统示意图。该系统包括在光路上顺序设置的光源1、第一偏振控制器件2、偏振相关的非镜面反射效应器件3、 第二偏振控制器件4，由光源1输出的光束经过第一偏振控制器件2后，成为同时具有不同偏振分量的偏振光，经过偏振相关的非镜面反射效应器件3，不同偏振光的空间相位响应不同，再经过第二偏振控制器件4检偏，使不同偏振分量共线通过并投影到同一方向发生空间相干涉，使得输出光束的非镜面反射效应增强。 

上述增强系统中，所述第一偏振控制器件产生同时具有s和p方向的偏振分量。 

上述增强系统中，所述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该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。 

上述增强系统中，利用所述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，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，获得增强的非镜面反射效应输出。 

上述增强系统中，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，所述光源为单色激光光源或由宽谱光源和窄带滤光片组成的窄带光源。 

在一个实例中，所述宽谱光源可以选择白光源、受激自发辐射（ASE）光源、超荧光二极管（SLD）光源等。 

在一个实例中，所述偏振控制器件包括偏振片、格兰棱镜、波片组和相位补偿器的其中之一或组合。 

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。 

在一个实例中，通过改变所述偏振相关的非镜面反射效应器件表面相邻外部介质的物理性质（如折射率等），可改变相应的非镜面反射效应。 

在一个实例中，利用上述增强系统，可通过检测输出光束的非镜面反射效应变化获得所述偏振相关的非镜面反射效应器件表面相邻外部介质的物理性质（如折射率等），实现高灵敏度传感检测。 

在一个实例中，利用上述增强系统，可通过改变所述偏振相关的非镜面反射效应器件表面相邻外部介质的物理性质（如折射率等），使得输出光束的非镜面反射效应在强弱间变化，实现高消光比的光开关。 

在一个实例中，所述非镜面反射效应为古斯汉辛效应，表现为光束的侧向移动。 

在一个实例中，对所述输出光束进行检测的设备为能检测光束的空间位置的光束分析仪、电荷耦合元件图像传感器和位置敏感探测器等。 

在一个实例中，为获得输出光束的空间位置移动，可通过将两个偏振控制器件均设置为经过所述偏振相关的非镜面反射效应器件后空间相位和强度分布基本不受影响的偏振方向，以获得参考光束的空间位置；或者通过改变所述偏振相关的非镜面反射效应器件表面相邻外部介质的物理性质（如折射率等），使得表面波在两种偏振光下均无法被激发，以获得参考光束的空间位置。 

本发明的非镜面反射效应的增强方法及系统具有以下优点： 

1.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，本发明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。 

2.将本发明提出的非镜面反射效应增强方法用于基于表面波的传感检测，可实现高灵敏度传感检测，比以往灵敏度能增强3倍以上。 

3.将本发明提出的非镜面反射效应增强方法用于光开关系统，可实现更高消光比。 

附图说明

图1是一种非镜面反射效应增强方法的系统框图。其中101是光源，102是第一偏振控制器，103为偏振相关的非镜面反射效应器件，104是第二偏振控制器件，105是输出光束，具有增强的非镜面反射效应。 

图2是实例一中非镜面反射效应增强的系统装置图。其中201是单色激光 光源，202是由格兰棱镜组成的第一偏振控制器，偏振方向为45度线偏振方向，203为偏振相关的非镜面反射效应器件，204是偏振方向与202相同的第二偏振控制器件，205是输出光束的检测设备。其中203由光学耦合棱镜206、布洛赫表面波结构207、PDMS微流进样池208和样品209组成。 

图3是由光束分析仪测量得到的输出光束，其中上图为两个偏振控制器件都设为p偏振选通，微流池中样品为空气时的输出光束形状，中图为两个偏振控制器件都设为p偏振选通，微流池中样品为水时的输出光束形状，下图为两个偏振控制器件都设为45度线偏振方向选通，微流池中样品为水时、古斯汉辛效应增强的输出光束形状。 

图4是两个偏振控制器件都设为p偏振选通，微流池中样品为水时，通过改变入射角度，获得的角度-古斯汉辛位移曲线。 

图5是两个偏振控制器件都设为45度线偏振方向选通，微流池中样品为水时，通过改变入射角度，获得的角度-增强的古斯汉辛位移曲线。 

图6是两个偏振控制器件都设为p偏振选通，固定入射角度，连续通入不同浓度的甘油样品溶液，获得的古斯汉辛位移信号曲线。其中甘油溶液的浓度分别为0.1%，0.2%和0.3%。 

图7是两个偏振控制器件都设为45度线偏振方向选通，固定入射角度，连续通入不同浓度的样品溶液，获得的古斯汉辛位移信号曲线。其中甘油溶液的浓度分别为0.1%，0.2%和0.3%。 

具体实施方式

实例一 

图2给出了一种对非镜面反射效应进行增强的系统原理图。本实例中测量的非镜面反射效应为古斯汉辛效应，即光束的侧向位移效应。 

在本实例中，光源201为带尾纤输出的980nm的激光器，经准直器准直和透镜组扩束后产生输出光束。 

本实例中所述偏振控制器件202、204均采用格兰棱镜，调到45度线偏振态，前后两个偏振控制器件同向；本领域技术人员应当理解，偏振控制器件也可以使用偏振片、波片组及相位补偿器等的组合，且偏振方向不限于45度，偏振方式不限于线偏振，以能产生空间干涉效果，及明显的非镜面反射效应增强为宜。 

本实例中的非镜面反射效应器件203采用传统的棱镜耦合Kretschmann结构，耦合棱镜206的材料为SF10玻璃，其折射率为1.70438（在980nm波长上）；非镜面反射效应器件203的玻璃基底采用ZF10玻璃，其折射率为1.668089（在980nm波长上），在玻璃基底上是交替十个周期的二氧化钛和二氧化硅介质薄层，其折射率分别为2.3和1.434，前九个周期中两者的厚度分别为163nm和391nm，最后一个周期中二氧化钛厚度为163nm，二氧化硅的厚度为500nm，最后一层二氧化硅表面的外部介质为水溶液，通过PDMS微流池207注入到该非镜面反射效 应器件203表面。对于该非镜面反射效应器件203，入射光束为p偏振时，在53.8度附近能激发表面布洛赫波，具有较大的相位变化，而入射光束为s偏振时，在相同角度下不能激发表面波，相位不变。当将水从微流池207中抽出，将空气注入PDMS微流池207中成为与非镜面反射效应器件203相邻的外部介质时，入射光束不管是p偏振还是s偏振，在53.8度附近均不能激发表面波。 

本实例中先采用光束分析仪205对固定入射角度下的反射光束进行检测。当微流池207中是空气时，通过上述偏振敏感的非镜面反射效应器件203的不同偏振光分量没有相位差，因此在检偏时无法空间干涉，出射光束没有非镜面反射效应，将两个偏振控制器件均调成p偏振方向，获得的出射光束为参考光束，如图3（a）所示。当微流池207中是水时，p偏振入射光能激发表面布洛赫波，将两个偏振控制器件均调成p偏振方向，观察到表面布洛赫波增强的古斯汉辛效应，如图3（b）所示；将两个偏振控制器件均调成45度偏振方向，由于通过上述偏振敏感的非镜面反射效应器件203的不同偏振光分量具有不同的相位，因而在检偏时形成空间干涉，出射光束如图3（c）所示。从图3可见上述偏振空间干涉对古斯汉辛效应具有明显的增强效果。对于光束分析仪205获得的图像，可以通过数据处理提取出光束的空间位置，从而计算古斯汉辛位移的大小。本领域技术人员应当理解，也可以使用CCD等其他空间光束检测设备。 

本实例中还采用位置敏感探测器（S3979,Hamamatsu）及其信号放大器（ON-Trac，OT-301）对固定角度下的反射光束进行了检测，并通过改变入射角度逐点测量，获得了一定角度范围内的古斯汉辛位移变化曲线，如图4和图5所示。其中图4为将两个偏振控制器件均调成p偏振方向，获得的表面波增强的古斯汉辛位移大小，图5为将两个偏振控制器件均调成45度偏振方向，经过进一步偏振空间干涉增强的古斯汉辛位移大小，从图中可见古斯汉辛位移的峰值被增大了2.5倍。 

将上述非镜面反射效应增强方法和测量系统应用于传感检测，被测溶液为不同浓度的甘油水溶液（0.1%-0.3%），各相邻样品的折射率变化差为1.17*10-4RIU；将入射角固定在古斯汉辛位移峰值的1/2到2/3间曲线的斜率较大处，将样品依次通入PDMS微流池中，实时记录位置敏感探测器的信号强度，获得不同浓度甘油溶液的古斯汉辛位移信号曲线如图6所示。由此可见，样品溶液的浓度改变造成的折射率变化后，古斯汉辛位移值相应变化，根据有关位移值的大小变化可准确获得样品的变化信息。 

与未实行偏振空间干涉的系统相比；即将两个偏振控制器件均调成p偏振方向，且将入射角固定在该条件下古斯汉辛位移峰值的1/2到2/3间曲线的斜率较大处，将样品依次通入PDMS微流池中，实时记录位置敏感探测器的信号强度，获得不同浓度甘油溶液的古斯汉辛位移信号曲线如图7所示，可见利用古斯汉辛位移传感的系统灵敏度可提高三倍以上。 

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的非镜面反射效应增强方法及系统的结构、技术和应用方案，但非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (8)

1.一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。

2.根据权利要求1所述的增强方法，其特征在于，所述步骤（1）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。

3.根据权利要求1-2所述的增强方法，其特征在于，所述步骤（1）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。

4.根据权利要求1所述的增强方法，其特征在于，所述步骤（4）中通过设置第一偏振控制器件与第二偏振控制器件，使得反射光束中由非镜面反射效应造成光强增大的部分发生相长或部分相长干涉、由非镜面反射效应造成光强不变或减弱的部分发生相消或部分相消干涉。

5.一种非镜面反射效应的增强系统，包括光源、第一偏振控制器件、偏振相关的非镜面反射效应器件和第二偏振控制器件；所述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，将其入射到所述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，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，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，获得增强的非镜面反射效应输出。

6.根据权利要求5所述的增强系统，其特征在于，所述光源包括单色激光光源，或者宽谱光源和窄带滤光片组成的窄带光源。

7.根据权利要求5所述的增强系统，其特征在于，所述第一和第二偏振控制器件包括偏振片、格兰棱镜、波片和相位补偿器的其中之一或组合。

8.根据权利要求5所述的增强系统，其特征在于，所述偏振相关的非镜面反射效应器件包括能激发表面等离子体共振或波导模式的包含金属薄膜结构的器件、能激发表面布洛赫波的介质材料结构器件、光子晶体器件、介质波导器件、吸收材料的全反射器件、左手材料器件和双棱镜结构器件。

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