CN105606032B - 检测消逝场与古斯汉欣位移关系的方法、装置及光学器件 - Google Patents

Abstract

本发明适用于光学技术领域，提供了一种检测消逝场与古斯汉欣位移关系的方法、装置及光学器件，所述方法包括：根据光在消逝场中的受力函数和势场函数的物理含义，获得消逝场对全反射光的势场函数；结合所述消逝场对全反射光的势场函数，通过薛定谔方程得到微扰后全反射光的波函数；对比所述微扰后全反射光的波函数和没有消逝场作用时的自由全反射光的波函数，全反射光在消逝场的作用下获得与消逝场的动量性质相同的动量。本发明，实现对古斯汉欣位移更好的调控，使古斯汉欣位移在光学传感器、全光开关和光束位移调制器件等领域中得到很好的应用。

Description

检测消逝场与古斯汉欣位移关系的方法、装置及光学器件

技术领域

本发明属于光学技术领域，尤其涉及一种检测消逝场与古斯汉欣位移关系的方法、装置及光学器件。

背景技术

光在介质表面发生全反射时，根据光的电磁理论分析表明，在光疏介质中也存在着电磁场，全反射光相对于入射点在侧向有一段很小的位移，因为该位移是被Goos和Hanchen发现的，被称为Goos-Hanchen位移，也称古斯汉欣位移，简称G—H位移。随着古斯汉欣位移的发现，对古斯汉欣位移产生机制的研究成为了热点。

目前普遍认可的有两种观点：观点一认为古斯汉欣位移的产生是由于入射光中不同单色平面光分量具有不同的反射相移，反射光束是由反射平面光分量叠加而成，所以在反射光束中出现纵向位移；观点二认为古斯汉欣位移的产生与光疏介质内的消逝场有密切的联系，根据消逝场能流的性质，从能量守恒的角度出发，推导了古斯汉欣位移与消逝场能流的关系。但是基于上述观点二，还是不能对古斯汉欣位移进行有效的调控，使古斯汉欣位移在光学传感器、全光开关和光束位移调制器件等领域中的应用受限。

发明内容

本发明实施例提供了一种检测消逝场与古斯汉欣位移关系的方法、装置及光学器件，旨在解决现有技术无法对古斯汉欣位移进行有效的调控，使古斯汉欣位移在光学传感器、全光开关和光束位移调制器件等领域中的应用受限的问题。

一方面，提供一种检测消逝场与古斯汉欣位移关系的方法，所述方法包括：

根据光在消逝场中的受力函数和势场函数的物理含义，获得消逝场对全反射光的势场函数；

结合所述消逝场对全反射光的势场函数，通过薛定谔方程得到微扰后全反射光的波函数；

对比所述微扰后全反射光的波函数和没有消逝场作用时的自由全反射光的波函数，全反射光在消逝场的作用下获得与消逝场的动量性质相同的动量。

进一步地，所述光在消逝场中的受力函数以表示，具体为：

其中，是电磁场的能量密度；ω表示角速度；γ＝(8πω)^-1是高斯单元；对于线偏振光，电场和磁场的偏振度相等α_e＝α_m＝α；表示轨道动量；和分别表示电场和磁场振幅；w_e和w_m分别表示电场和磁场的能量密度。

进一步地，所述消逝场对全反射光的势场函数以表示，具体为：

其中是光在势场中的位置变化。

进一步地，所述结合所述消逝场对全反射光的势场函数，通过薛定谔方程得到微扰后全反射光的波函数具体包括：

步骤S11，将消逝场对全反射光的势场函数表示为和微扰后全反射光的波函数表示为在t1时刻受到消逝场微扰的关系通过薛定谔方程表示如下：

其中H₀为哈密顿量，m为光的运动质量，为光的位置矢量，为标准化普朗克常数；

步骤S12，根据光在消逝场中的受力函数获得消逝场对全反射光的势场函数的新表达式如下：

其中，γ＝(8πω)^-1为高斯单元，α_e、α_m分别是电场和磁场的偏振度，k^(t)为消逝场的波数，和分别表示电场和磁场振幅。

步骤S13，以消逝场对全反射光的势场函数的新表达式替换薛定谔方程中对应的函数，获得微扰后全反射光的波函数具体如下：

进一步地，所述没有消逝场作用时的自由全反射光的波函数具体为：

其中，所述动量获取单元具体用于比较微扰后全反射光的波函数ψ和没有消逝场作用时的自由全反射光的波函数全反射光在消逝场的作用下获得了与消逝场的动量性质相同的动量

另一方面，提供一种检测消逝场与古斯汉欣位移关系的装置，所述装置包括：

势场获取单元，用于根据光在消逝场中的受力函数和势场函数的物理含义，获得消逝场对全反射光的势场函数；

波函数获得单元，用于结合所述消逝场对全反射光的势场函数，通过薛定谔方程得到微扰后全反射光的波函数；

动量获取单元，用于对比所述微扰后全反射光的波函数和没有消逝场作用时的自由全反射光的波函数，全反射光在消逝场的作用下获得与消逝场的动量性质相同的动量。

进一步地，所述光在消逝场中的受力函数以表示，具体为：

其中，是电磁场的能量密度；ω表示角速度；γ＝(8πω)^-1是高斯单元；对于线偏振光，电场和磁场的偏振度相等α_e＝α_m＝α；表示轨道动量；和分别表示电场和磁场振幅；w_e和w_m分别表示电场和磁场的能量密度。

进一步地，所述消逝场对全反射光的势场函数以表示，具体为：

其中是光在势场中的位置变化。

进一步地，所述波函数获得单元具体包括：

关系建立模块，用于将消逝场对全反射光的势场函数表示为和微扰后全反射光的波函数表示为在t1时刻受到消逝场微扰的关系通过薛定谔方程表示如下：

其中H₀为哈密顿量，m为光的运动质量，为光的位置矢量，为标准化普朗克常数；

势场获取模块，用于根据光在消逝场中的受力函数获得消逝场对全反射光的势场函数的新表达式如下：

其中，γ＝(8πω)^-1为高斯单元，α_e、α_m分别是电场和磁场的偏振度，k^(t)为消逝场的波数，和分别表示电场和磁场振幅。

波函数获取模块，用于以消逝场对全反射光的势场函数的新表达式替换薛定谔方程中对应的函数，获得微扰后全反射光的波函数具体如下：

进一步地，所述没有消逝场作用时的自由全反射光的波函数具体为：

其中，所述动量获取单元具体用于比较微扰后全反射光的波函数ψ和没有消逝场作用时的自由全反射光的波函数全反射光在消逝场的作用下获得了与消逝场的动量性质相同的动量

再一方面，提供一种光学器件，所述光学器件包括上述检测消逝场与古斯汉欣位移关系的装置。

具体的，所述光学器件包括光学传感器、全光开关和光束位移调制器件。

本申请实施例包括以下优点：

把消逝场看作是对全反射光的一种微扰，然后运用薛定谔方程，得出全反射光在消逝场作用后的波函数的表达形式。从消逝场作用后的全反射光的波函数分析可以得到：全反射光在消逝场力的作用下，得到一个与消逝场的动量性质相同的动量，这个动量使全反射光在介质界面上有一个横向位移，即古斯汉欣位移，从而实现对古斯汉欣位移更好的调控，使古斯汉欣位移在光学传感器、全光开关和光束位移调制器件等领域中得到很好的应用。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的检测消逝场与古斯汉欣位移关系的方法的流程图；

图2是本发明实施例一提供的古斯汉欣位移示意图；

图3是本发明实施例一提供的消逝场力F随空间坐标x、z的分布图；

图4是本发明实施例一提供的古斯汉欣位移S与全反射光得到的动量P的关系曲线图；

图5是本发明实施例一提供的全反射光得到的动量P与消逝场力F的关系曲线图；

图6是本发明实施例二提供的检测消逝场与古斯汉欣位移关系的装置的具体结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细描述：

实施例一

图1示出了本发明实施例一提供的检测消逝场与古斯汉欣位移关系的方法的实现流程，详述如下：

需要说明的是，图2示出了古斯汉欣位移示意图，在入射平面xoz内，TM平面光从光密介质入射到光疏介质，当入射角大于临界角时，发生全反射，且全反射光束相对于入射点有一段位移，即古斯汉欣位移，如图2所示，光在介质界面上发生全反射时，由电磁场边界条件可知：在光疏介质内存在着电磁场，即消逝场。在2012年Fedor I Fedorov在文章里指出：消逝场切向能流可以产生一个切向光压。后来Quincke和Gall用实验测得了消逝场力的存在。现有理论中，古斯汉欣位移是由全反射光受到消逝场力的作用，获得动量，从而全反射光在介质界面上有一个横向位移，即消逝场力作用在全反射光上，使全反射光产生一个动量，从而产生古斯汉欣位移。

在步骤S101中，根据光在消逝场中的受力函数和势场函数的物理含义，获得消逝场对全反射光的势场函数。

在本实施例中，图3示出了消逝场力F随空间坐标x、z的分布图，根据现有的消逝场力存在的原因，将光在消逝场中的受力函数以表示，具体为：

其中，是电磁场的能量密度；ω表示角速度；γ＝(8πω)^-1是高斯单元；对于线偏振光，电场和磁场的偏振度相等α_e＝α_m＝α；表示轨道动量，图4示出了古斯汉欣位移S与全反射光得到的动量P的关系曲线图，图5示出了全反射光得到的动量P与消逝场力F的关系曲线图；和分别表示电场和磁场振幅；w_e和w_m分别表示电场和磁场的能量密度。而所述消逝场对全反射光的势场函数以表示，具体为：

其中是光在势场中的位置变化。

在步骤S102中，结合所述消逝场对全反射光的势场函数，通过薛定谔方程得到微扰后全反射光的波函数。

在本实施例中，从量子电动力学的角度分析，消逝场可以看作对全反射光有一种微扰作用。本步骤S102具体包括以下步骤：

步骤S11，将消逝场对全反射光的势场函数表示为和微扰后全反射光的波函数表示为在t1时刻受到消逝场微扰的关系通过薛定谔方程表示如下：

其中H₀为哈密顿量，m为光的运动质量，为光的位置矢量，为标准化普朗克常数；

步骤S12，根据光在消逝场中的受力函数获得消逝场对全反射光的势场函数的新表达式如下：

其中，γ＝(8πω)^-1为高斯单元，α_e、α_m分别是电场和磁场的偏振度，k^(t)为消逝场的波数，和分别表示电场和磁场振幅。具体的，根据上述光在消逝场中的受力函数得到此时消逝场力的表达式F如下：

进一步地推导出F如下：

其中为消逝场的初振幅。将推导出F带入上述消逝场对全反射光的势场函数中获得：

步骤S13，以消逝场对全反射光的势场函数的新表达式替换薛定谔方程中对应的函数，获得微扰后全反射光的波函数具体如下：

在步骤S103中，对比所述微扰后全反射光的波函数和没有消逝场作用时的自由全反射光的波函数，全反射光在消逝场的作用下获得与消逝场的动量性质相同的动量。

在本实施例中，如图2所示，TM平面光入射到介质界面，入射面为二维平面，因此所述没有消逝场作用时的自由全反射光的波函数具体为：

其中，所述动量获取单元具体用于比较微扰后全反射光的波函数ψ和没有消逝场作用时的自由全反射光的波函数全反射光在消逝场的作用下获得了与消逝场的动量性质相同的动量即全反射光在消逝场力的作用下，确实获得了与消逝场动量性质相同的动量。由于这个动量的获得，全反射光沿着介质界面运动，产生一段横向位移，即古斯汉欣位移。

本实施例，把消逝场看作是对全反射光的一种微扰，然后运用薛定谔方程，得出全反射光在消逝场作用后的波函数的表达形式。从消逝场作用后的全反射光的波函数分析可以得到：全反射光在消逝场力的作用下，得到一个与消逝场的动量性质相同的动量，这个动量使全反射光在介质界面上有一个横向位移，即古斯汉欣位移，从而实现对古斯汉欣位移更好的调控，使古斯汉欣位移在光学传感器、全光开关和光束位移调制器件等领域中得到很好的应用。

实施例二

图6示出了本发明实施例二提供的检测消逝场与古斯汉欣位移关系的装置的具体结构框图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。在本实施例中，该检测消逝场与古斯汉欣位移关系的装置包括：势场获取单元61、波函数获得单元62和动量获取单元63，所述波函数获得单元62包括关系建立模块、势场获取模块和波函数获取模块。

其中，势场获取单元61，用于根据光在消逝场中的受力函数和势场函数的物理含义，获得消逝场对全反射光的势场函数；

波函数获得单元62，用于结合所述消逝场对全反射光的势场函数，通过薛定谔方程得到微扰后全反射光的波函数；

动量获取单元63，用于对比所述微扰后全反射光的波函数和没有消逝场作用时的自由全反射光的波函数，全反射光在消逝场的作用下获得与消逝场的动量性质相同的动量。

进一步地，所述光在消逝场中的受力函数以表示，具体为：

其中，是电磁场的能量密度；ω表示角速度；γ＝(8πω)^-1是高斯单元；对于线偏振光，电场和磁场的偏振度相等α_e＝α_m＝α；表示轨道动量；和分别表示电场和磁场振幅；w_e和w_m分别表示电场和磁场的能量密度。

进一步地，所述消逝场对全反射光的势场函数以表示，具体为：

其中是光在势场中的位置变化。

进一步地，所述波函数获得单元62具体包括：

关系建立模块，用于将消逝场对全反射光的势场函数表示为和微扰后全反射光的波函数表示为在t1时刻受到消逝场微扰的关系通过薛定谔方程表示如下：

其中H₀为哈密顿量，m为光的运动质量，为光的位置矢量，为标准化普朗克常数；

势场获取模块，用于根据光在消逝场中的受力函数获得消逝场对全反射光的势场函数的新表达式如下：

其中，γ＝(8πω)^-1为高斯单元，α_e、α_m分别是电场和磁场的偏振度，k^(t)为消逝场的波数，和分别表示电场和磁场振幅。

波函数获取模块，用于以消逝场对全反射光的势场函数的新表达式替换薛定谔方程中对应的函数，获得微扰后全反射光的波函数具体如下：

进一步地，所述没有消逝场作用时的自由全反射光的波函数具体为：

其中，所述动量获取单元具体用于比较微扰后全反射光的波函数ψ和没有消逝场作用时的自由全反射光的波函数全反射光在消逝场的作用下获得了与消逝场的动量性质相同的动量

本实施例，把消逝场看作是对全反射光的一种微扰，然后运用薛定谔方程，得出全反射光在消逝场作用后的波函数的表达形式。从消逝场作用后的全反射光的波函数分析可以得到：全反射光在消逝场力的作用下，得到一个与消逝场的动量性质相同的动量，这个动量使全反射光在介质界面上有一个横向位移，即古斯汉欣位移，从而实现对古斯汉欣位移更好的调控，使古斯汉欣位移在光学传感器、全光开关和光束位移调制器件等领域中得到很好的应用。

本发明实施例提供的检测消逝场与古斯汉欣位移关系的装置可以应用在前述对应的方法实施例一中，详情参见上述实施例一的描述，在此不再赘述。

值得注意的是，上述装置实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

尽管已描述了本申请实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、装置、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、装置、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、装置、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本申请所提供的一种检测消逝场与古斯汉欣位移关系的方法、装置及光学器件，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种检测消逝场与古斯汉欣位移关系的方法，其特征在于，所述方法包括：

根据光在消逝场中的受力函数和势场函数的物理含义，获得消逝场对全反射光的势场函数；

结合所述消逝场对全反射光的势场函数，通过薛定谔方程得到微扰后全反射光的波函数；

对比所述微扰后全反射光的波函数和没有消逝场作用时的自由全反射光的波函数，全反射光在消逝场的作用下获得与消逝场的动量性质相同的动量；

所述光在消逝场中的受力函数以表示，具体为：

其中，是电磁场的能量密度；ω表示角速度；γ＝(8πω)^-1是高斯单元；对于线偏振光，电场和磁场的偏振度相等α_e＝α_m＝α；表示轨道动量；和分别表示电场和磁场振幅；w_e和w_m分别表示电场和磁场的能量密度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述消逝场对全反射光的势场函数以表示，具体为：

其中是光在势场中的位置变化。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述结合所述消逝场对全反射光的势场函数，通过薛定谔方程得到微扰后全反射光的波函数具体包括：

步骤S11，将消逝场对全反射光的势场函数表示为和微扰后全反射光的波函数表示为在t1时刻受到消逝场微扰的关系通过薛定谔方程表示如下：

其中H₀为哈密顿量，m为光的运动质量，为光的位置矢量，为标准化普朗克常数；

步骤S12，根据光在消逝场中的受力函数获得消逝场对全反射光的势场函数的新表达式如下：

其中，γ＝(8πω)^-1为高斯单元，α_e、α_m分别是电场和磁场的偏振度，k^(t)为消逝场的波数， 和分别表示电场和磁场振幅；

步骤S13，以消逝场对全反射光的势场函数的新表达式替换薛定谔方程中对应的函数，获得微扰后全反射光的波函数具体如下：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述没有消逝场作用时的自由全反射光的波函数具体为：

其中，所述动量获取单元具体用于比较微扰后全反射光的波函数ψ和没有消逝场作用时的自由全反射光的波函数全反射光在消逝场的作用下获得了与消逝场的动量性质相同的动量

5.一种检测消逝场与古斯汉欣位移关系的装置，其特征在于，所述装置包括：

势场获取单元，用于根据光在消逝场中的受力函数和势场函数的物理含义，获得消逝场对全反射光的势场函数；

波函数获得单元，用于结合所述消逝场对全反射光的势场函数，通过薛定谔方程得到微扰后全反射光的波函数；

动量获取单元，用于对比所述微扰后全反射光的波函数和没有消逝场作用时的自由全反射光的波函数，全反射光在消逝场的作用下获得与消逝场的动量性质相同的动量；

所述光在消逝场中的受力函数以表示，具体为：

其中，是电磁场的能量密度；ω表示角速度；γ＝(8πω)^-1是高斯单元；对于线偏振光，电场和磁场的偏振度相等α_e＝α_m＝α；表示轨道动量；和分别表示电场和磁场振幅；w_e和w_m分别表示电场和磁场的能量密度。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述消逝场对全反射光的势场函数以表示，具体为：

其中是光在势场中的位置变化。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述波函数获得单元具体包括：

关系建立模块，用于将消逝场对全反射光的势场函数表示为和微扰后全反射光的波函数表示为在t1时刻受到消逝场微扰的关系通过薛定谔方程表示如下：

其中H₀为哈密顿量，m为光的运动质量，为光的位置矢量，为标准化普朗克常数；

势场获取模块，用于根据光在消逝场中的受力函数获得消逝场对全反射光的势场函数的新表达式如下：

其中，γ＝(8πω)^-1为高斯单元，α_e、α_m分别是电场和磁场的偏振度，k^(t)为消逝场的波数， 和分别表示电场和磁场振幅；

波函数获取模块，用于以消逝场对全反射光的势场函数的新表达式替换薛定谔方程中对应的函数，获得微扰后全反射光的波函数具体如下：

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述没有消逝场作用时的自由全反射光的波函数具体为：

其中，所述动量获取单元具体用于比较微扰后全反射光的波函数ψ和没有消逝场作用时的自由全反射光的波函数全反射光在消逝场的作用下获得了与消逝场的动量性质相同的动量

9.一种光学器件，其特征在于，包括权利要求5至8任一项所述检测消逝场与古斯汉欣位移关系的装置。

10.根据权利要求9所述的光学器件，其特征在于，所述光学器件包括光学传感器、生物传感器、全光开关和光束位移调制器件。