CN109443554B - 一种基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量装置及方法，所述装置包括：用于生成不同波长高斯光的光源生成装置；设置在所述光源生成装置后方，用于对入射的具有不同波长的高斯光进行反射并发生光自旋霍尔效应的反射装置；设置在所述反射装置后方，用于对反射光强重心分布进行探测的光强接收装置，所述光强接收装置通过放大横移效果实现对入射光波长的检测。本发明通过使用石墨烯片作为光自旋霍尔效应发生样本的材料选择，实现了宽波段波长检测的目的，从而避免了波长变化范围大对检测手段带来的局限，通过对测量反射后光束重心的横移值，实现对入射光束波长的准确检测，测量结果直观易读，便于实际操作。
Description
技术领域
本发明涉及光学检测技术领域，尤其涉及的是一种基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量装置及方法。
背景技术
自激光器于1960年被发明以来，激光由于其良好的单色性、方向性和相干性好等特点得以广泛的应用，并在通信、军事、医疗、科研等领域得到广泛的应用。而不同领域使用的激光波长也有所差异，例如波长为337nm的紫外光可以用于杀菌消炎，而波长为1064nm的近红外光可以用于手术切除等等，光波长检测也是大部分光学实验和光纤传感系统的重要环节。但是传统的波长检测方法由于材料和原理的限制，只能实现对某一波段范围波长的检测，需要更换不同的波长计来检测，不能实现对宽波段的波长检测。
目前常用的波长检测技术主要分为分光型、滤波型和干涉型三大类。基于分光技术的波长检测技术相对成熟，其重要功能是将光信号中不同波长的光分散分析光信号的光谱特性。基于滤波器的光波长检测技术与干涉仪结合，产生的梳状滤波光谱对光信号进行离散分析，通过拟合产生光信号的光谱。基于干涉仪的光波检测技术采用干涉仪作为波长检测的核心，而干涉仪的输出光强大小随着输入光信号的波长变化而改变，因此直接测量输出光的强度即可获得其波长信息。传统测量技术使用广泛的同时，仍存在着各种弊端，因此总原理上对其改进具有重要的研究意义。其中分光型波长检测技术相对成熟，但仍然存在光路结构复杂，成本较高，且检测的实时性相对较低。滤波型基于拟合反推出光谱，导致其准确度不高。干涉型虽具有很高的灵敏度和分辨力，但由于光强容易受到环境干扰，并且需要对干涉图进行傅里叶变换来获得光谱信息，所以容易受到环境的干扰，仍存在一定的局限性。
因此，针对上述缺陷，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量装置及方法，通过使用石墨烯片作为光自旋霍尔效应发生样本的材料选择，实现了宽波段波长检测的目的，从而避免了波长变化范围大对检测手段带来的局限，并且利用光自旋霍尔效应的光学微观效应，通过微观位移间接检测光波波长，可以提高测量精度，只需通过直接观察光束重心的横移值的大小即可得到对应的入射高斯光波长，实现对入射光束波长的准确检测，测量结果直观易读，便于实际操作。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量装置，其中，所述基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量装置包括：
用于生成不同波长高斯光的光源生成装置；
设置在所述光源生成装置后方，用于对入射的具有不同波长的高斯光进行反射并发生光自旋霍尔效应的反射装置；
设置在所述反射装置后方，用于对反射光强重心分布进行探测的光强接收装置，所述光强接收装置通过放大横移效果实现对入射光波长的检测。
所述基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量装置，其中，所述光源生成装置包括依次设置的用于产生高斯光束的光源、用于调节入射光波长的波长转换器、用于改变光偏振方向的偏振片、用于会聚光束的第一透镜和用于调节光偏振的第一偏振镜。
所述基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量装置，其中，所述反射装置包括：用于光自旋霍尔效应发生的样本，所述样本由石墨烯片与BK7玻璃组成，所述石墨烯片贴合设置于BK7玻璃的上方。
所述基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量装置，其中，所述光强接收装置包括依次设置的用于调节光偏振的第二偏振镜、用于会聚光束的第二透镜和用于记录的光强拍摄装置。
所述基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量装置，其中，所述光源包括波长为632.5nm的He-Ne激光器，所述偏振片为二分之一波片，所述第一透镜包括焦距为25mm的凸透镜，所述第一偏振镜包括格兰棱镜。
所述基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量装置，其中，所述石墨烯片折射率约为3.0+i*c1*λ/3，i表示虚数单位，λ表示入射光波的波长，在可见光区域内c1＝5.446*106。
所述基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量装置，其中，所述第二偏振镜可以为格兰棱镜，所述第二透镜包括焦距为75mm的凸透镜，所述光强拍摄装置包括CCD探测器。
所述基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量装置，其中，用于光自旋霍尔效应发生的样本将入射高斯光分裂成两束左旋偏振和右旋偏振的高斯光。
一种基于所述的基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量装置的基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量方法，其中，所述基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量方法包括以下步骤：
步骤A，所述光源生成装置通过光源发出高斯光，通过波长转换器调节入射光波长后经过偏振片产生水平偏振光入射到第一透镜，再经过第一偏振镜产生预设光强的高斯光；
步骤B，通过所述第一偏振镜的高斯光入射到所述反射装置，通过所述反射装置上的样本发生光自旋霍尔效应后将入射高斯光分裂成两束左旋偏振和右旋偏振的高斯光，再进行反射；
步骤C，所述光强接收装置通过第二偏振镜对所述反射装置发射过来的高斯光调节光偏振，在经过第二透镜和CCD探测器进行接收，通过重心偏移对入射高斯光进行检测。
所述的基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量方法，其中，通过测量高斯光反射后光束重心的横移值，对所述横移值的具体数值进行探测，完成入射高斯光波长的检测。
有益效果：本发明提供的了一种基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量装置及方法，所述装置包括：用于生成不同波长高斯光的光源生成装置；设置在所述光源生成装置后方，用于对入射的具有不同波长的高斯光进行反射并发生光自旋霍尔效应的反射装置；设置在所述反射装置后方，用于对反射光强重心分布进行探测的光强接收装置，所述光强接收装置通过放大横移效果实现对入射光波长的检测。本发明通过使用石墨烯片作为光自旋霍尔效应发生样本的材料选择，实现了宽波段波长检测的目的，从而避免了波长变化范围大对检测手段带来的局限，并且利用光自旋霍尔效应的光学微观效应，通过微观位移间接检测光波波长，可以提高测量精度，只需通过直接观察光束重心的横移值的大小即可得到对应的入射高斯光波长，实现对入射光束波长的准确检测，测量结果直观易读，便于实际操作。
附图说明
图1是本发明基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量装置的较佳实施例的结构示意图；
图2是本发明基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量装置的较佳实施例中各个部件结构和光路连接的示意图；
图3是本发明基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量装置的较佳实施例中反射装置所包括的用于光自旋霍尔效应发生的样本的结构示意图；
图4是本发明基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量方法的的较佳实施例的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。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。
本发明中的前方和后方的表述为正常的方位表述习惯，例如在X装置(其中X装置只是用来举例)的右边为后方(且不表示一定为正前方或者正后方，可以为一定角度的前后方)，在X装置的左边为前方，仅仅用于描述设置方位，具体地可参照附图中的具体方位进行理解。
请参阅图1，图1是本发明基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量装置的较佳实施例的结构示意图。
如图1所示，本发明实施例提供的一种基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量装置，所述基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量装置包括：
用于生成不同波长高斯光的光源生成装置3；设置在所述光源生成装置3后方，用于对入射的具有不同波长的高斯光进行反射并发生光自旋霍尔效应的反射装置4；设置在所述反射装置4后方，用于对反射光强重心分布进行探测的光强接收装置5，所述光强接收装置5通过放大横移效果实现对入射光波长的检测。
进一步地，如图2所示，所述光源生成装置3包括依次设置的用于产生高斯光束的光源31、用于调节入射光波长的波长转换器32、用于改变光偏振方向的偏振片33、用于会聚光束的第一透镜34和用于调节光偏振的第一偏振镜35，所述光源31、波长转换器32、偏振片33、第一透镜34以及第一偏振镜35依次设置在同一光路上。
进一步地，如图2和3所示，所述反射装置4包括：用于光自旋霍尔效应发生的样本41，所述样本由石墨烯片411(本发明优选为单层石墨烯片)与BK7玻璃412组成，所述石墨烯片411贴合设置于BK7玻璃412的上方，两者中间无任何间隙。
进一步地，如图2所示，所述光强接收装置5包括依次设置的用于调节光偏振的第二偏振镜51、用于会聚光束的第二透镜52和用于记录的光强拍摄装置53，所述第二偏振镜51、第二透镜52以及光强拍摄装置53依次设置在同一光路上。
其中，所述光源31包括波长为632.5nm的He-Ne激光器(所述激光器用于产生高斯光束，通常情形，激光谐振腔发出的基模辐射场，其横截面的振幅分布遵守高斯函数，故称高斯光束)，所述偏振片33为二分之一波片(波片是能使互相垂直的两光振动间产生附加光程差(或相位差)的光学器件，二分之一波片是一定厚度的双折射晶体，当法向入射的光透过时，寻常光(o光)和非常光(e光)之间的相位差等于π或其奇数倍，这样的晶片称为二分之一波片，简称半波片)，所述第一透镜34包括焦距为25mm的凸透镜，所述第一偏振镜35包括格兰棱镜(格兰棱镜是偏振棱镜的一种，偏振棱镜是利用晶体的双折射现象而制成的偏振器件，无论是自然光还是偏振光通过偏振棱镜后就变成振动方向由棱镜偏振方向所决定的线偏振光)。
其中，所述石墨烯片411折射率约为3.0+i*c1*λ/3，i表示虚数单位，λ表示入射光波的波长，在可见光区域内c1＝5.446*106，石墨烯片厚度约为0.34nm，其中样本材料不局限于石墨烯，也可用其他二维材料替代。所述BK7玻璃的折射率约为1.515，厚度可取1mm。
具体地，用于光自旋霍尔效应发生的样本41将入射高斯光分裂成两束左旋偏振和右旋偏振的高斯光。
其中，所述第二偏振镜51可以为格兰棱镜，所述第二透镜52包括焦距为75mm的凸透镜，所述光强拍摄装置53包括CCD探测器(环境适应能力极强，性能稳定可靠)。
基于上述实施例提供的基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量装置，本发明还提供一种基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量方法，请参阅图4，图4是本发明基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量方法的的较佳实施例的流程图。
所述基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量方法包括以下步骤：
步骤100，所述光源生成装置3通过光源31发出高斯光，通过波长转换器32调节入射光波长后经过偏振片33产生水平偏振光入射到第一透镜34，再经过第一偏振镜35产生预设光强的高斯光；
步骤200，通过所述第一偏振镜35的高斯光入射到所述反射装置4，通过所述反射装置4上的样本41发生光自旋霍尔效应后将入射高斯光分裂成两束左旋偏振和右旋偏振的高斯光，再进行反射；
步骤300，所述光强接收装置5通过第二偏振镜51对所述反射装置4发射过来的高斯光调节光偏振，在经过第二透镜52和CCD探测器53进行接收，通过重心偏移对入射高斯光进行检测。
进一步地，光源31出射的高斯光，经过偏振片33后产生水平偏振光入射到第一透镜34，然后经过第一偏振镜34产生合适光强的高斯光，此时，出射的高斯光束的角谱表达式为：
其中，
代表高斯光束，eix，eiy分别代表入射光束的角谱在x和y方向的单位矢量，σ＝±1代表左旋和右旋的圆偏振光分量，ω0代表光束束腰，kix，kiy分别代表波矢在xi和yi方向上的分量。
产生出的高斯光束入射到反射装置4，经过光自旋霍尔效应发生样本41反射后的角谱表达式为：
上式中，
代表反射光，rp代表菲涅尔反射系数，kry代表波矢在yr方向上的分量，自旋轨道耦合是光子自旋霍尔效应的固有物理机制，其中exp(±ikry△r)表示水平偏振下的自旋轨道耦合项，这里
同时该原理为多层介质中的光自旋霍尔效应，需要考虑到这个样品模型的广义菲涅尔反射系数，因此光束在石墨烯界面反射时的广义菲涅尔反射系数可以推导出来，通过公式：
上式中，A∈{p,s}，这里
表示空气和石墨烯界面的菲涅尔反射系数，
表示石墨烯(即前面的石墨烯片)和BK7玻璃界面的菲涅尔反射系数，
表示真空中的波数(λ代表入射高斯光的波长)，θi为入射角度，n和d分别表示石墨烯的折射率和厚度。
因此再通过已知的反射角谱表达式，通过动量空间计算光束的光自旋霍尔效应横移值可表示为：
上式中，δ±代表左旋圆偏振光和右旋圆偏振光分量的电场表达式，xr和yr表示中心波矢的反射坐标系，
代表反射后的角谱表达式。
通过上式计算，最终可以得到其反射光中左旋和右旋圆偏振光分量的重心漂移与入射光波长的关系式：
最后，用于调节光偏振的第二偏振镜51、用于会聚光束的第二透镜52和用于记录的光强拍摄装置53中进行接收，利用重心偏移尺寸δ对入射高斯光的波长进行检测。
综上所述，本发明提供了一种基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量装置及方法，高斯光经过本发明的光自旋霍尔效应发生样本后发生左旋和右旋两束圆偏振光分离并干涉产生的重心横移距离，实现了对高斯光束的波长的检测。本发明通过使用石墨烯作为光自旋霍尔效应发生样本的材料选择，来实现宽波段波长检测的目的，从而避免了波长变化范围大对检测手段带来的局限，并且利用光自旋霍尔效应这种光学微观效应，通过微观位移间接检测光波波长，可以提高测量精度，并且只需通过直接观察横移的大小即可得到对应的入射高斯光波长，测量结果直观易读，便于实际操作。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量装置，其特征在于，所述基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量装置包括：
用于生成不同波长高斯光的光源生成装置；
所述光源生成装置包括依次设置的用于产生高斯光束的光源、用于调节入射光波长的波长转换器、用于改变光偏振方向的偏振片、用于会聚光束的第一透镜和用于调节光偏振的第一偏振镜；
设置在所述光源生成装置后方，用于对入射的具有不同波长的高斯光进行反射并发生光自旋霍尔效应的反射装置；
所述反射装置包括：用于光自旋霍尔效应发生的样本，所述样本由石墨烯片与BK7玻璃组成，所述石墨烯片贴合设置于BK7玻璃的上方；用于光自旋霍尔效应发生的样本将入射高斯光分裂成两束左旋偏振和右旋偏振的高斯光；
设置在所述反射装置后方，用于对反射光强重心分布进行探测的光强接收装置，所述光强接收装置通过放大横移效果实现对入射光波长的检测；
所述光强接收装置包括依次设置的用于调节光偏振的第二偏振镜、用于会聚光束的第二透镜和用于记录的光强拍摄装置；
通过使用石墨烯作为光自旋霍尔效应发生样本的材料选择，实现宽波段波长检测的目的，避免波长变化范围大对检测手段带来的局限，并且利用光自旋霍尔效应的光学微观效应，通过微观位移间接检测光波波长，提高测量精度，只需通过直接观察横移的大小即可得到对应的入射高斯光波长，测量结果直观易读，便于实际操作。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量装置，其特征在于，所述光源包括波长为632.5nm的He-Ne激光器，所述偏振片为二分之一波片，所述第一透镜包括焦距为25mm的凸透镜，所述第一偏振镜包括格兰棱镜。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量装置，其特征在于，所述石墨烯片折射率约为3.0+i*c 1*λ/3，i表示虚数单位，λ表示入射光波的波长，在可见光区域内c1＝5.446*106。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量装置，其特征在于，所述第二偏振镜可以为格兰棱镜，所述第二透镜包括焦距为75mm的凸透镜，所述光强拍摄装置包括CCD探测器。
5.一种基于权利要求1-4任一项所述的基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量装置的基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量方法，其特征在于，所述基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量方法包括以下步骤：
步骤A，所述光源生成装置通过光源发出高斯光，通过波长转换器调节入射光波长后经过偏振片产生水平偏振光入射到第一透镜，再经过第一偏振镜产生预设光强的高斯光；
步骤B，通过所述第一偏振镜的高斯光入射到所述反射装置，通过所述反射装置上的样本发生光自旋霍尔效应后将入射高斯光分裂成两束左旋偏振和右旋偏振的高斯光，再进行反射；
步骤C，所述光强接收装置通过第二偏振镜对所述反射装置发射过来的高斯光调节光偏振，在经过第二透镜和CCD探测器进行接收，通过重心偏移对入射高斯光进行检测。
6.根据权利要求5所述的基于石墨烯光自旋霍尔效应的波长测量方法，其特征在于，通过测量高斯光反射后光束重心的横移值，对所述横移值的具体数值进行探测，完成入射高斯光波长的检测。
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| CN109443554A (zh) | 2019-03-08 |
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