CN109916511A

CN109916511A - 基于双环型纳米狭缝阵列的角动量探测装置和方法

Info

Publication number: CN109916511A
Application number: CN201910204215.8A
Authority: CN
Inventors: 孔艳; 邱鹏; 王绶玙; 刘诚; 蒋志龙
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2019-03-18
Filing date: 2019-03-18
Publication date: 2019-06-21
Anticipated expiration: 2039-03-18
Also published as: CN109916511B

Abstract

本发明公开了基于双环型纳米狭缝阵列的角动量探测装置和方法，属于基于表面等离子光学探测技术领域。本发明设计的基于双环型纳米狭缝的自旋及轨道角动量探测装置能够实现对SAM和OAM的同时测量，使用该基于双环型纳米狭缝的自旋及轨道角动量探测装置对SAM、OAM或对SAM和OAM混合进行探测时，准确度均能达到100％。

Description

基于双环型纳米狭缝阵列的角动量探测装置和方法

技术领域

本发明涉及基于双环型纳米狭缝阵列的角动量探测装置和方法，属于基于表面等离子光学探测技术领域。

背景技术

传统的光学器件，如棱镜、透镜和螺旋相位板，依赖光在传输过程中的相位积累去产生期望的波前。一般这类光学器件具有不规则的几何外形和较大的体积，不利于器件的微型化和集成化。近年来，由人工设计的金属或介质微结构阵列构成的超材料受到了研究人员的广泛关注。超表面实际上是一种二维的超材料，通过设计微结构单元的几何形状及空间分布，可以实现对光场振幅、相位及偏振空间分布的任意操控。光学超表面所具有的超薄和平面几何特性，使基于超表面的器件易于和其他光学器件集成发展紧凑的多功能光学器件。

由经典的麦克斯韦方程组可知光是一种电磁波，不仅携带能量信息，同时也携带着角动量信息。动量可以分为线动量和角动量，角动量包括由偏振性决定的自旋角动量(SAM)和由光场空间分布决定的轨道角动量(OAM)。1936年，Beth首次实验测量了圆偏振光通过一个半波片产生的扭矩，测量的扭矩大小与波动光学和量子力学的理论结果非常符合，证明了理想圆偏振光具有自旋角动量和能量(N为光子数)，其比值为1/ω。对椭偏度为σ(-1≤σ≤1)的椭圆偏振光，自旋角动量和能量的比值为σ/ω。其中σ＝±1，分别代表左旋和右旋圆偏振光，σ＝0为线偏振光。测量轨道角动量的第一个实验由Allen等于1992年在荷兰莱顿大学的惠更斯实验室完成。实验采用拉盖尔—高斯(LG)光束，通过一个像散光学系统变换为厄米—高斯(HG)光束时对系统产生的扭矩进行测量。如何探测和区分光波中的自旋和轨道角动量是一个困扰研究者的重要问题。

自旋角动量(SAM)和轨道角动量(OAM)在基础物理、应用物理及天文、生物等交叉学科的应用研究中都具有重要的应用价值。比如：光学通信中的信息编码，利用自旋角动量(SAM)的±1偏振态可实现二进制数据编码和传输，而轨道角动量(OAM)拥有更多的拓扑荷数，则可以实现更高自由度的数据编码和传输；光照射物体时，由于电磁波具有能量，也有动量，所以，在物体表面形成反射和吸收，同时会对表面形成压力作用，成为光压(光辐射压力)，2018年获得诺贝尔物理学奖的光镊，正是利用轨道角动量光束所具有的特殊的螺旋相位和中空光场，与微观粒子发生力的作用，实现对微小物体的操纵。自旋角动量(SAM)和轨道角动量(OAM)在众多领域都发挥着巨大的作用，因此如何精准探测SAM和OAM也有着及其的重要意义。

目前，探测SAM和OAM的方法有很多：SAM态通常采用检偏器和1/4波片的组合系统进行探测检验，在检偏器前插入1/4波片，旋转波片，出现最大透射光强时表明波片快轴方向与检偏器透光轴方向相同。根据出射线偏振光的光矢量所在象限可以分辨其旋向；OAM态探测最常用的方法是用平面光与涡旋光束干涉，根据叉形干涉条纹的分支数判断涡旋光束的拓扑荷。此外，利用球面光与其干涉形成的分支螺旋干涉条纹，与其镜像光束干涉产生的2l径向轮辐干涉图，通过环状多针孔产生的特殊干涉图、多针孔相位恢复算法、窄环带孔径形成的径向环带分布干涉图和透过锥透镜干涉，都可以实现OAM定量测量。目前具有的技术虽然都能够分辨SAM和OAM，但还具有很多不足：(1)对于SAM和OAM的探测，都需要搭建一套光学系统，复杂繁琐，费时费力；(2)对于OAM的探测，不仅要通过实验得到数据，还要对数据进行后期处理；(3)对于SAM和OAM都是单独探测，不能够对即含有SAM，又含有OAM的光波进行探测分析。本发明提出了一种双环型纳米狭缝阵列结构及探测装置可以同时实现自旋和轨道角动量的精准探测，能够有效弥补这些不足。

发明内容

本发明提出一种双环型纳米狭缝阵列的自旋及轨道角动量探测装置及其方法。该装置和方法的一个主要目的是对SAM和OAM进行精准探测，不仅能够分别对SAM和OAM进行精准探测，发明的该探测装置最大的创新之处是可以对SAM和OAM做到同时探测，而且探测方法简单，操作方便，光利用率高，探测结果简单易懂。所以该探测装置有着巨大的使用价值和光明的发展前景。

本发明的第一个目的是提供一种自旋及轨道角动量探测装置，所述装置为厚度0.15～0.3μm的金属薄片；所述金属薄片上设置多对纳米狭缝，纳米狭缝呈同心双圆环状均匀分布；每对纳米狭缝相互垂直，且满足下式：

其中，d为内圈纳米狭缝和基础线之间的距离，所述基础线是与纳米狭缝所在的圆环同圆心，且半径长度不超过狭缝所在圆环的圆心至金属薄片的最短径向长度；θ_out为纳米狭缝的长边以狭缝几何中心为圆心沿逆时针转过的角度；k_SPP和n_SPP分别是SPP波的波数和有效折射率；每对几何中心之间的距离w设定为λ_SPP/2，λ_SPP是SPP波的波长；和满足下式：

设定SAM为左旋圆偏振时，此时SPPs对应的波前相位是SAM为右旋圆偏振时，SPPs对应的波前相位是

在本发明的一种实施方式中，所述金属薄片为金薄片或银薄片。

在本发明的一种实施方式中，所述金属薄片是长、宽20μm、厚度为0.2μm的银薄片。

在本发明的一种实施方式中，所述银薄片上刻蚀60～100对纳米狭缝。

在本发明的一种实施方式中，所述银薄片上刻蚀80对纳米狭缝。

本发明的第二个目的是提供所述装置在探测自旋角动量和/或轨道角动量方面的应用。

在本发明的一种实施方式中，所述应用是将待测光波自所述装置的背面射入，根据装置表面的光强分布确定SAM和/或OAM状态。

在本发明的一种实施方式中，所述应用是同时探测SAM和OAM，根据装置表面的光强分布确定SAM和/或OAM状态；具体包括：

(1)当光波SAM为+1，OAM为+1，在装置上第一光斑聚焦位置呈现非聚焦环状光；

(2)当光波SAM为+1，OAM为-1，在装置第一光斑聚焦位置呈现聚焦的点；

(3)当光波SAM为-1，OAM为+1，在装置第二光斑聚焦位置呈现聚焦的点；

(4)当光波SAM为-1，OAM为-1，在装置第二光斑聚焦位置呈现非聚焦环状光；

所述第一光斑聚焦位置和第二光斑聚焦位置呈轴对称。

在本发明的一种实施方式中，所述装置上建立笛卡尔坐标系，所述第一光斑聚焦位置和第二光斑聚焦位置关于y轴对称。

在本发明的一种实施方式中，所述装置用于检测波长为780nm～1030nm的光波。

本发明还要求保护所述装置或所述检测方法在光通信、超级显微成像、芯片光量子领域的应用。

有益效果：使用该基于双环型纳米狭缝的自旋及轨道角动量探测装置对SAM进行探测时，准确度能达到100％；使用该基于双环型纳米狭缝的自旋及轨道角动量探测装置对OAM进行探测时，准确度能达到100％；使用该基于双环型纳米狭缝的自旋及轨道角动量探测装置对SAM和OAM混合进行探测时，准确度能达到100％。

附图说明

图1基于双环型纳米狭缝阵列的自旋及轨道角动量探测装置结构图(A)该模型纳米尺度结构图(B)纳米狭缝结构局部放大图。

图2基于双环型纳米狭缝阵列的自旋及轨道角动量探测装置对SAM进行探测：(A)和(B)当入射光波分别为LCP和RCP时，聚焦光斑应该出现的位置；(C)和(D)当入射光波分别为LCP和RCP时,使用FDTD模拟仿真的金属银表面的光强分布。

图3基于双环型纳米狭缝阵列的自旋及轨道角动量探测装置对OAM进行探测：(A)和(B)当入射光波分别为OAM的+1和OAM的-1时，该发明装置图；当入射光波为SAM的+1，即LCP,(C)和(D)OAM分别为+1和-1时，使用FDTD模拟仿真的金属银表面的光强分布；当入射光波为SAM的-1，即RCP,(E)和(F)OAM分别为+1和-1时，使用FDTD模拟仿真的金属银表面的光强分布。

图4基于双环型纳米狭缝阵列的自旋及轨道角动量探测装置对SAM和OAM同时进行探测：当入射光波为SAM的+1，即LCP,(A)和(B)OAM分别为+1和-1时，使用FDTD模拟仿真的金属银表面的光强分布；当入射光波为SAM的-1，即RCP,(C)和(D)OAM分别为+1和-1时，使用FDTD模拟仿真的金属银表面的光强分布。

图5基于双环型纳米狭缝阵列的自旋及轨道角动量探测装置在不同波长下对SAM和OAM同时进行探测：(A)-(D)是当入射光波波长为780nm时,SAM的±1和OAM的±1结合的四种情况；(E)-(H)是当入射光波波长为880nm时,SAM的±1和OAM的±1结合的四种情况；(I)-(L)是当入射光波波长为1030nm时,SAM的±1和OAM的±1结合的四种情况。

图6基于双环型纳米狭缝阵列的自旋及轨道角动量探测装置在不同波长下对SAM和OAM同时进行探测：(A)-(D)是当入射光波波长为680nm时,SAM的±1和OAM的±1结合的四种情况；(E)-(H)是当入射光波波长为1080nm时,SAM的±1和OAM的±1结合的四种情况。

具体实施方式

实施例1

如图1(A)所示，本发明的探测装置主体结构是一块长宽都是20μm，厚度是0.2μm的银金属薄片，以该金属薄片的几何中心为原点，建立笛卡尔坐标系，通过光刻技术，在银金属薄片上指定位置刻蚀设计好尺寸参数的两圈纳米狭缝，当SAM/OAM的光波从标记了笛卡尔坐标系的银金属薄片背面照射该发明后，会在银金属薄片表面出现对应的光斑，通过光斑位置和强度分布的不同来探测区分SAM和OAM。

其中，内圈和外圈的狭缝满足如下关系：

内圈纳米狭缝和基础线之间的距离为d，外圈纳米狭缝的旋转角度为θ_out，这两个参数基于和得来，k_SPP和n_SPP分别是SPP波的波数和有效折射率；同时，同一对中的纳米狭缝是始终保持互相垂直的，并且两者之间的距离w保持不变设定为λ_SPP/2，λ_SPP是SPP波的波长；

式中，和满足下式：

通过上述具体参数，无论设定左旋圆偏振(LCP)和右旋圆偏振(RCP)照射后金属薄片上光斑出现在哪个位置上，都可以设计出对应参数的该发明装置。

在本发明的实施方式下，如图1(B)所示，金属银薄片上一共刻蚀了80对纳米狭缝，它们围绕圆心均匀分布形成一个圆环。每一对纳米狭缝都是互相垂直的，长是a＝300nm，宽是b＝75nm，内圈狭缝均匀分布在基准线上，基准线是与纳米狭缝同心且半径是r₀＝10um。入射光波长，即探测波波长，也是工作波长为980nm，所以通过计算可以得到激励产生的SPPs波长是λ_SPP＝970nm，所以内圈纳米狭缝和外圈纳米狭缝之间的距离

该装置的工作原理为：工作波长的激光从金属薄片背面照射到金属薄片后，金属银表面会受到激励产生表面等离子激元(SPPs)，而产生的SPPs则会因为传播形成相应的光斑，通过光斑出现的位置以及不同的强度分布就能对SAM和OAM实现精准探测。在左旋圆偏振(LCO)条件下，SAM是+1，当OAM也是+1时，会在金属片表面(-5μm,0)位置形成一个非聚焦的环状光分布；但是当OAM是-1时，会在金属片表面(-5μm,0)位置形成一个聚焦光斑分布；同理，在RCP条件下，SAM是-1，当OAM是+1时，会在发明结构表面(5μm,0)位置形成一个聚焦光斑分布；但是当OAM也是-1时，会在发明结构表面(5μm,0)位置形成一个非聚焦的环状光分布。通过上述四种情况，只要根据表面光斑出现的位置以及呈现的强度分布，就能对SAM和OAM实现精准区分探测。

该装置的探测原理具体为：

(1)SAM探测原理：SAM是光波的自旋角动量，体现为不同的偏振特性，SAM的探测原理是基于双环型纳米狭缝结构阵列的，为了区分SAM中的左旋圆偏振(LCP)和右旋圆偏振(RCP)，把分别受LCP和RCP激光产生的SPPs在金属银表面聚焦的位置设置在不同的地方。设定LCP是SAM为+1，此时SPPs对应的波前相位是RCP是SAM为-1,SPPs对应的波前相位是值得注意的是，在具体计算时，需要额外增加一个螺旋相位，避免相位失配，光斑无法聚焦。同时，波前的对称模式和非对称模式分别为和是偏振相关，而是偏振不相关。

(2)OAM探测原理：OAM是光波的轨道角动量，体现为不同的光场空间分布，与SAM的根据焦点位置区别±1不同，OAM的±1根据焦点的强度分布来区别。因为光波中的SAM和OAM是独立存在，互不相关的，所以在双环型纳米狭缝结构中，外圈纳米狭缝的旋转角度θ_out这个与偏振相关的参数保持不变，而对内圈纳米狭缝和基准线之间的距离d进行调整。当左旋圆偏光和右旋圆偏光照射在这个双环型纳米狭缝阵列后，结构表面激发出的SPP波就会携带上偏振光含有的拓扑数±1；同时，这束光波还会带有OAM的拓扑数±1。所以根据公式(5)-(8)，可以计算出最终SPP波形成的光斑强度分布。在LCP条件下，SAM是+1，当OAM也是+1时，产生的SPP波的拓扑数是+2，因此形成一个非聚焦的环状光分布；但是当OAM是-1时，产生的SPP波的拓扑数是0，因此形成一个聚焦光斑分布；同理，在RCP条件下，SAM是-1，当OAM是+1时，产生的SPP波的拓扑数是0，因此形成一个聚焦光斑分布；但是当OAM也是-1时，产生的SPP波的拓扑数是-2，因此形成一个非聚焦的环状光分布。

另外，该双环型纳米狭缝阵列的自旋及角动量探测装置还能够根据探测到的光波总强度，形成光强分布图，根据光强分布曲线的全宽半高(FWHM)估计出入射光波中SAM和OAM的比值。

实施例2：

应用实施例1设计的基于双环型纳米狭缝阵列的自旋及轨道角动量探测装置对SAM进行探测。如图2(A)和(B)，在笛卡尔坐标系里，设定SAM的+1态，即LCP，焦点在(-5μm,0)；SAM的-1态，即RCP，焦点在(5μm,0)。图2(C)和(D)是对实施例1的探测装置进行仿真模拟，使用的是FDTD Solutions软件，FDTD Solutions是基于矢量3维麦克斯维方程求解，采用时域有限差分FDTD法将空间网格化，时间上一步步计算，从时间域信号中获得宽波段的稳态连续波结果，独有的材料模型可以在宽波段内精确描述材料的色散特性，内嵌高速、高性能计算引擎，能一次计算获得宽波段多波长结果，能模拟任意3维形状，提供精确的色散材料模型。根据公式(1)～(4)，设计好纳米狭缝的排列，纳米狭缝的其他基本参数保持不变。图2(C)是使用LCP光作为光源，最终在银薄片上(-5μm，0)处出现了明亮的聚焦光斑；图2(D)是使用RCP光作为光源，最终在银薄片上(5μm，0)处出现了明亮的聚焦光斑。使用FDTD仿真模拟结果和使用MATLAB对波前传播计算得到的结果高度吻合，精准度达到100％，可证明，该SAM探测装置能够实现OAM的±1态的精准探测。

实施例3

应用实施例1设计的基于双环型纳米狭缝阵列的自旋及轨道角动量探测装置对OAM进行探测。区分OAM的±1态时，对于一束确定的光波来说，因为不便单独存在，所以结合SAM同时考虑。如图3(A)和(B)所示，不论入射光波的SAM是+1还是-1，当入射光波分别为OAM的+1和OAM的-1时，该探测装置受激产生的SPPs光斑都出现在笛卡尔坐标系的原点，也是纳米狭缝形成圆环的圆心。按照设定好光斑出现的位置，根据公式(1)～(4)，设计好纳米狭缝的排列，纳米狭缝的其他基本参数保持不变。依据OAM的探测原理，公式(5)～(8)，使用FDTD模拟仿真分布当入射光波为SAM的+1，即LCP，OAM分别为+1和-1时；当入射光波为SAM的-1，即RCP，OAM分别为+1和-1时，金属银表面的光强分布。仿真模拟结果如图3(C)～(F)所示。在LCP条件下，SAM是+1，当OAM也是+1时，产生的SPP波的拓扑数是+2，因此在圆心处形成一个非聚焦的环状光分布；但是当OAM是-1时，产生的SPP波的拓扑数是0，在圆心处形成一个聚焦光斑分布；同理，在RCP条件下，SAM是-1，当OAM是+1时，产生的SPP波的拓扑数是0，因此在圆心处形成一个聚焦光斑分布；但是当OAM也是-1时，产生的SPP波的拓扑数是-2，在圆心处形成一个非聚焦的环状光分布。使用FDTD仿真模拟结果和使用MATLAB对波前传播计算得到的结果高度吻合，进准度达到100％，可证明，该OAM探测装置能够实现OAM的±1态的精准探测。

实施例4

应用实施例1设计的基于双环型纳米狭缝阵列的自旋及轨道角动量探测装置对SAM和OAM同时进行探测，使用FDTD模拟仿真的金属银表面的光强分布。如图2(A)和(B)，在笛卡尔坐标系里，设定SAM的+1态，即LCP，焦点在(-5μm,0)；SAM的-1态，即RCP，焦点在(5μm,0)。然后根据公式(1)～(4)，计算得到每一个纳米狭缝的具体位置和旋转角度，纳米狭缝的其他基本参数保持不变，设计出了所需的该探测装置。依据OAM的探测原理，公式(5)～(8)，使用FDTD模拟仿真分布当入射光波为SAM的+1，即LCP，OAM分别为+1和-1时；当入射光波为SAM的-1，即RCP，OAM分别为+1和-1时，金属银表面的光强分布。仿真模拟结果如图4(A)～(D)所示。在LCP条件下，SAM是+1，当OAM也是+1时，产生的SPP波的拓扑数是+2，因此在(-5μm,0)处形成一个非聚焦的环状光分布；但是当OAM是-1时，产生的SPP波的拓扑数是0，在(-5μm,0)处形成一个聚焦光斑分布；同理，在RCP条件下，SAM是-1，当OAM是+1时，产生的SPP波的拓扑数是0，因此在(5μm,0)处形成一个聚焦光斑分布；但是当OAM也是-1时，产生的SPP波的拓扑数是-2，在(5μm,0)处形成一个非聚焦的环状光分布。这样，就能够将SAM和OAM任意组合的四种情况都分别区分探测出来，根据光斑出现的位置，区分待测SAM光：如果光斑出现在(-5μm,0)处，无论是什么强度分布形态，都是SAM的+1态，即LCP；如果光斑出现在(5μm,0)处，无论是什么强度分布形态，都是SAM的-1态，即RCP。并根据光斑的形状，区分OAM光：在确定光波是是SAM的+1态，即LCP情况下，如果光斑是非聚焦的环状分布，那么是OAM的+1态；如果光斑是一个聚焦的点，那么是OAM的-1态；在确定光波是是SAM的-1态，即RCP情况下，如果光斑是一个聚焦的点，那么是OAM的+1态；如果光斑是非聚焦的环状分布，那么是OAM的-1态。使用FDTD仿真模拟效果如图3，结果清晰明朗，和使用MATLAB理论计算所得一致。综上，发明的该探测装置能够同时对SAM和OAM的实现精准探测。

实施例5

应用实施例1设计的基于双环型纳米狭缝阵列的自旋及轨道角动量探测装置在不同波长下对SAM和OAM同时进行探测。该探测装置的参数设置，即所有纳米狭缝的分布位置和旋转角度都和实施例4中对SAM和OAM同时进行探测装置的保持一致，区别在于，入射光波的波长分别为780nm，880nm和1030nm。仿真模拟结果如图5所示，(A)～(D)是当入射光波波长为780nm时,SAM的±1和OAM的±1结合的四种情况：(A)是SAM为+1，OAM也为+1，在(-5μm,0)形成非聚焦环状光；(B)是SAM为+1，OAM为-1，在(-5μm,0)形成聚焦的点；(C)是SAM为-1，OAM为+1，在(5μm,0)形成聚焦的点；(D)是SAM为-1，OAM也为-1，在(5μm,0)形成非聚焦环状光。(E)～(H)是当入射光波波长为880nm时,SAM的±1和OAM的±1结合的四种情况；(I)～(L)是当入射光波波长为1030nm时,SAM的±1和OAM的±1结合的四种情况。从仿真模拟结果可以看出当入射光波长从780nm到1030nm改变的过程中，各个情况的大致图形依旧能够分辨出来，只是工作波长为980nm时更为清晰。波长为780nm时，四种情况的各自形态如图5(A)～(D)所示，其中图(A)和(C)应该出现的环状光分布已经发生了一定的形变，不过还是能够看出是一个环形，图(B)和(D)应该出现的聚焦点状光分布不变，只是聚焦强度变弱。波长为880nm时，四种情况的各自形态如图5(E)～(H)所示，其中图(E)和(G)应该出现的环状光分布发生了轻微形变，变化不明显，图(F)和(H)应该出现的聚焦点状光分布不变，只是聚焦强度稍微减弱，所以入射波长为880nm时，可以区分探测SAM和OAM的。波长为1030nm时，四种情况的各自形态如图5(I)～(L)所示，其中图(I)和(K)应该出现的环状光分布已经发生了较大的形变，依稀能够看出是一个环形，图(J)和(L)应该出现的聚焦点状光可以分辨出来，但也发生了形变，而且聚焦强度变弱，不过，四种情况各自还是有很大的区分度，所以入射波长为1030nm时，依旧可以区分探测SAM和OAM的，只是精准度不及波长为980nm的探测结果。

对比例

应用实施例1设计的基于双环型纳米狭缝阵列的自旋及轨道角动量探测装置在不同波长下对SAM和OAM同时进行探测。该探测装置的参数设置，即所有纳米狭缝的分布位置和旋转角度都和实施例4中对SAM和OAM同时进行探测装置的保持一致，区别在于，入射光波的波长分别为680nm和1080nm。仿真模拟结果如图6所示，(A)～(D)是当入射光波波长为680nm时,SAM的±1和OAM的±1结合的四种情况；(E)～(H)是当入射光波波长为1080nm时,SAM的±1和OAM的±1结合的四种情况。从仿真模拟结果可以看出当入射光波长超出780nm～1030nm的检测范围后，该探测装置的探测效果就大幅下降。波长为680nm时，四种情况的各自形态如图6(A)～(D)所示，其中图(A)和(C)应该出现的环状光分布已经发生了巨大的形变，无法看出是一个环形，图(B)和(D)应该出现的聚焦点状光也发生了形变，难以分辨,且再非聚焦点的地方出现了大量的干扰光，干扰严重。波长为1080nm时，四种情况的各自形态如图6(E)～(H)所示，其中图(E)和(G)应该出现的环状光分布和图(F)和(H)应该出现的聚焦点状光均发生了形变，且两者十分相似，难以区分，容易造成错误的探测结果。所以建议该探测装置的检测波长范围在780nm～1030nm，以便能够实现更精准的探测。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims

1.一种自旋及轨道角动量探测装置，其特征在于，所述装置为厚度0.15～0.3μm的金属薄片；所述金属薄片上设置多对纳米狭缝，纳米狭缝呈同心双圆环状均匀分布；每对纳米狭缝相互垂直，且满足下式：

其中，d为内圈纳米狭缝和基础线之间的距离，所述基础线是与纳米狭缝所在的圆环同圆心，且半径长度不超过狭缝所在圆环的圆心至金属薄片的最短径向长度；θ_out为纳米狭缝的长边以狭缝几何中心为圆心沿逆时针转过的角度；k_SPP和n_SPP分别是SPP波的波数和有效折射率；每对几何中心之间的距离w设定为λ_SPP/2，λ_SPP是SPP波的波长。

2.根据权利要求1所述的一种自旋及轨道角动量探测装置，其特征在于，所述金属薄片为金薄片或银薄片。

3.根据权利要求2所述的一种自旋及轨道角动量探测装置，其特征在于，所述金属薄片是长、宽20μm、厚度为0.2μm的银薄片。

4.根据权利要求2或3所述的一种自旋及轨道角动量探测装置，其特征在于，所述银薄片上刻蚀60～100对纳米狭缝。

5.权利要求1～4任一所述的一种自旋及轨道角动量探测装置在探测自旋角动量和/或轨道角动量方面的应用。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述装置用于检测波长为780nm～1030nm的光波。

7.一种探测SAM和/或OAM光波的方法，其特征在于，应用权利要求1～5任一所述的装置，将待测光波自所述装置的背面射入，根据装置表面的光强分布确定光波状态。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法同时探测SAM和OAM。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，根据所述装置表面的光强分布确定SAM和/或OAM状态；具体包括：

所述第一光斑聚焦位置和第二光斑聚焦位置呈轴对称。

10.权利要求7～9任一所述的方法在光通信、超级显微成像、芯片光量子领域的应用。