CN110081969B - 光场强度检测系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光场强度检测系统和方法，光场强度检测系统包括待测光场产生装置、分离装置以及检测装置。首先，通过介质颗粒对待测光场进行散射，从而实现电场分量和磁场分量的同步表征；然后，通过波导薄膜对散射光中的电场信号和磁场信号进行不同激发角度的辐射，从而对散射光中的电场信号和磁场信号进行分离；最后，采集电场信号和磁场信号，并且生成相应的电场强度分布图和磁场强度分布图。通过实现待测光场中的电场信号和磁场信号的同步表征，拓展了光场信息表征的维度，促进了人们对光场本质的认识，也提供了新的光场信息获取手段，因此，在纳米尺度下的光与物质相互作用以及超分辨信息处理等研究领域有十分重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，尤其涉及一种光场强度检测系统和方法。
背景技术
从1961年中国宣布第一台激光器研制成功至今，激光技术已在我国的众多领域广泛应用，并且迅速促进了“纳米技术”的诞生与发展。在当代，“纳米技术”和“信息时代”的结合，为信息的获取、存储进入纳米化提供了基础。为了满足纳米技术“更小”和“更快”的需求，对光提出了更高的要求，也迫使人们不断探索光的各种物理特性。然而光所蕴含的物理特性内涵犹如层层面纱，需要科学工作者不断去揭开。例如，光在信息的提取，从最初的波长的研究发展到对振幅、相位等研究，再到对光的偏振、角动量等研究，从而获取相应的信息。光在信息领域的应用维度逐步得到扩大。当然，将光作为一种信息工具，必须对光本身的物理特征有着充分的了解，才能够在信号获取方面提供理论上的依据。
研究纳米范围的光场信息需要依赖于光与物质相互作用，物质在光场中所表现出的物理特性，能够准确反映光场本身的物理特性。人们正是通过这种方式逐渐加深了对光场的认识。光场是电磁场，光场与物质的相互作用，既包含了电场与物质的相互作用，又包含了磁场与物质的相互作用，尤其是光的波长量级在纳米及以下的研究范围中，光场中的物质在电场和磁场共同的作用下经常会表现出不同的特性。但是，目前，大部分研究集中在电场特性及应用，这是因为大部分材料是电介质材料，其在光场中的磁场响应比较微弱，对磁场响应的忽略不会影响材料在应用起到的作用。另外，由于现有技术中的信号探测器只能对电场信号进行感应和提取，而无法对磁场信号进行表征。这两方面的原因造成了光场中磁场特性表征的缺失。现在，随着许多新的电磁中性材料和磁性材料的出现和应用，使得材料的研发和应用绕不开对其磁场特性的研究。
目前比较常用的光场表征工具是近场扫描光学显微镜(Near-field ScanningOptical Microscopy,NSOM)，NSOM所表征的对象是光场中的电场分量，其原理是通过近场探针将近场光场信息耦合到远场，在通过精确的反馈和扫描技术实现光场的表征。现有成熟的NSOM近场探针都是电介质材料，因此，它也只能实现光场中电场分量的表征。
有的研究提出，将NSOM近场探针进行特殊加工，使其能够对光场中的磁场做出响应，从而实现光场中磁场分量的表征。但是，不论针对电场分量还是磁场分量，目前的NSOM技术面临着诸多难点，其中，NSOM的近场探针是关键因素。近场探针的尺寸决定了成像分辨率，同时也决定了近场光场信号的响应强度。由于探针的尺寸必须设计在几十纳米的量级范围内，因此，导致输出的信号十分微弱，不仅影响了NSOM的成像质量，而且加大了NSOM的成像难度。因此，如何将微弱的信号光从背景光中提取出来是NSOM技术面临的挑战，为了解决这个问题往往需要引入其他的技术辅助，加大了NSOM的应用成本。
总的来说利用NSOM技术对光场中的电场和磁场分量的表征都面临诸多挑战，而且表征电场和磁场不能使用同一个近场探针，无法实现光场中的电场分量和磁场分量的同步表征。假设，可以实现光场中的电场分量和磁场分量的同步表征，但是，如何将光场中的电场信号和磁场信号进行分离又是另一个问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种光场强度检测系统和方法，旨在解决现有技术中无法对光场中的电场分量和磁场分量同步成像的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：
一种光场强度检测系统，包括：待测光场产生装置，所述待测光场产生装置用于产生待测光场；分离装置，所述分离装置包括介质颗粒和波导薄膜，所述待测光场依次经过介质颗粒和波导薄膜，介质颗粒产生散射光实现待测光场的响应，波导薄膜对散射光中的电场信号和磁场信号进行分离，其中，所述介质颗粒同时具有电偶共振和磁偶共振，所述波导薄膜同时支持横电波模式和横磁波模式；以及检测装置，所述检测装置用于采集所述电场信号和所述磁场信号，并且生成相应的电场强度分布图和磁场强度分布图。
其中，所述待测光场产生装置包括激光器和物镜，所述激光器产生的激光经过物镜。
其中，所述待测光场产生装置还包括偏振片和反射镜，所述激光器产生的激光依次经过偏振片、反射镜以及物镜。
其中，所述介质颗粒为硅颗粒。
其中，所述波导薄膜为从上至下依次层叠的介质薄膜、金属薄膜以及玻璃基底。
其中，所述检测装置包括第一检测组件和第二检测组件，所述第一检测组件用于采集电场信号或者磁场信号，并且生成相应的电场强度分布图或者磁场强度分布图；所述第二检测组件用于采集所述磁场信号或者电场信号，并且生成相应的磁场强度分布图或者电场强度分布图。
其中，所述第一检测组件包括第一分束器、第一圆形挡板、光阑、第一透镜以及第一光电倍增管，所述第一分束器对分离装置射出的待测光场进行分束，使分束后的待测光场经过第一圆形挡板和光阑，输出磁场信号或者电场信号，磁场信号或者电场信号经过第一透镜进行会聚，并且使会聚后的磁场信号或者电场信号通过第一光电倍增管进行采集，从而生成相应的磁场强度分布图或者电场强度分布图；其中，当获得磁场信号时，所述磁场信号的直径小于电场信号的直径，所述第一圆形挡板的直径小于磁场信号的直径，所述光阑的孔径和磁场信号的直径相等；当获得电场信号时，所述电场信号的直径小于磁场信号的直径，所述第一圆形挡板的直径小于电场信号的直径，所述光阑的孔径和电场信号的直径相等。
其中，所述第二检测组件包括第二分束器、第二圆形挡板、第二透镜以及第二光电倍增管，所述第二分束器对分离装置射出的待测光场进行分束，使分束后的待测光场经过第二圆形挡板，获得电场信号或者磁场信号，电场信号或者磁场信号经过第二透镜进行会聚，并且使会聚后的电场信号或者磁场信号通过第二光电倍增管进行采集，从而生成相应的电场强度分布图或者磁场强度分布图；其中，当获得电场信号时，所述电场信号的直径大于磁场信号的直径，所述第二圆形挡板的直径大于磁场信号的直径，并且小于电场信号的直径；当获得磁场信号时，所述磁场信号的直径大于电场信号的直径，所述第二圆形挡板的直径大于电场信号的直径，并且小于磁场信号的直径。
其中，所述检测装置还包括第三检测组件，所述第三检测组件用于检测介质颗粒和待测光场的对齐程度。
本发明提供的另一技术方案为：
一种光场强度检测方法，包括：获取待测光场相匹配的介质颗粒的直径，其中，所述介质颗粒同时具有电偶共振和磁偶共振；获取待测光场相匹配的波导薄膜的厚度，其中，所述波导薄膜同时支持横电波模式和横磁波模式；控制待测光场依次经过介质颗粒和波导薄膜，从而分离待测光场中的电场信号和磁场信号；采集所述电场信号和所述磁场信号，并且生成相应的电场强度分布图和磁场强度分布图。
本发明的有益效果为：首先，通过介质颗粒对待测光场进行散射，从而实现电场分量和磁场分量的同步表征；然后，通过波导薄膜对散射光中的电场信号和磁场信号进行不同激发角度的辐射，从而对散射光中的电场信号和磁场信号进行分离；最后，采集电场信号和磁场信号，并且生成相应的电场强度分布图和磁场强度分布图。通过实现待测光场中的电场信号和磁场信号的同步表征，拓展了光场信息表征的维度，促进了人们对光场本质的认识，也提供了新的光场信息获取手段，因此，在纳米尺度下的光与物质相互作用以及超分辨信息处理等研究领域有十分重要的应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明的一个实施例的光场强度检测系统的示意图。
图2是根据本发明的一个实施例的光场强度检测方法的示意性立体图。
图3(a)是根据本发明的一个实施例的介质颗粒的谱线图。
图3(b)至图3(c)是根据本发明的一个实施例的待测光场波长为504nm的电场分布图和磁场分布图。
图3(d)至图3(e)是根据本发明的一个实施例的待测光场波长为598nm的电场分布图和磁场分布图。
图4(a)是根据本发明的一个实施例的波导薄膜的示意性立体图。
图4(b)是根据本发明的一个实施例的待测光场在TE模式和TM模式下的反射率示意图。
图5(a)是根据本发明的一个实施例的待测光场在TE模式下透过率随波长改变的分布图。
图5(b)是根据本发明的一个实施例的待测光场在TM模式下透过率随波长改变的分布图。
图6(a)是根据本发明的一个实施例的介质薄膜和波导薄膜的示意性立体图。
图6(b)是根据本发明的一个实施例的电场信号和磁场信号的分离示意图。
100、光场强度检测系统；10、待测光场产生装置；11、激光器；12、偏振片；121、半波片；122、涡旋半波片；13、反射镜；14、物镜；20、分离装置；21、介质颗粒；22、波导薄膜；221、介质薄膜；222、金属薄膜；223、玻璃基底；30、检测装置；31、第一检测组件；311、第一分束器；312、第一圆形挡板；313、光阑；314、第一透镜；315、第一光纤耦合器；316、第一光电倍增管；32、第二检测组件；321、第二分束器；322、第二圆形挡板；323、第二透镜；324、第二光纤耦合器；325、第二光电倍增管；33、第三检测组件；331、第三圆形挡板；332、第三透镜；333、相机。
具体实施例
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是根据本发明的一个实施例的光场强度检测系统的示意图。
从图中所示，该光场强度检测系统100可以具有待测光场产生装置10、分离装置20以及检测装置30，待测光场产生装置10用于产生待测光场；分离装置20包括介质颗粒21和波导薄膜22，待测光场依次经过介质颗粒21和波导薄膜22，介质颗粒21产生散射光实现待测光场的响应，波导薄膜22对散射光中的电场信号和磁场信号进行分离，其中，介质颗粒21同时具有电偶共振和磁偶共振，波导薄膜22同时支持横电波和横磁波模式；检测装置30用于采集电场信号和磁场信号，并且生成相应的电场强度分布图和磁场强度分布图。
首先，通过介质颗粒21对待测光场进行散射，从而实现电场分量和磁场分量的同步表征；然后，通过波导薄膜22对散射光中的电场信号和磁场信号进行不同激发角度的辐射，从而对待测光场中的电场信号和磁场信号进行分离；最后，采集电场信号和磁场信号，并且生成相应的电场强度分布图和磁场强度分布图。通过实现待测光场中的电场信号和磁场信号的同步表征，拓展了光场信息表征的维度，促进了人们对光场本质的认识，也提供了新的光场信息获取手段，因此，在纳米尺度下的光与物质相互作用以及超分辨信息处理等研究领域有十分重要的应用价值。
在一个实施例中，待测光场产生装置10包括激光器11和物镜14，激光器11产生的激光经过物镜14。
为了更好的实现待测光场中的电场信号和磁场信号的分离，在本实施中，待测光场产生装置10还包括偏振片12和反射镜13，激光器11产生的激光依次经过偏振片12、反射镜13以及物镜14。
在本实施例中，偏振片12包括半波片121和涡旋半波片122，激光器11产生的激光依次经过半波片121和涡旋半波片122。
在本实施例中，介质颗粒21为硅颗粒。
在本实施例中，波导薄膜22为从上至下依次层叠的介质薄膜221、金属薄膜222以及玻璃基底223。
在本实施例中，介质薄膜221为氧化铝薄膜，金属薄膜222为金膜。可以了解，在可选的实施例中，介质薄膜221也可以为二氧化硅薄膜，金属薄膜222也可以为银膜。
在本实施例中，检测装置30包括第一检测组件31和第二检测组件32，第一检测组件31用于采集电场信号或者磁场信号，并且生成相应的电场强度分布图或者磁场强度分布图；第二检测组件32用于采集磁场信号或者电场信号，并且生成相应的磁场强度分布图或者电场强度分布图。
具体的，第一检测组件31包括第一分束器311、第一圆形挡板312、光阑313、第一透镜314以及第一光电倍增管316，第一分束器311对分离装置20射出的待测光场进行分束，使分束后的待测光场经过第一圆形挡板312和光阑313，获得磁场信号或者电场信号，磁场信号或者电场信号经过第一透镜314进行会聚，并且使会聚后的磁场信号或者电场信号通过第一光电倍增管316进行采集，从而生成相应的磁场强度分布图或者电场强度分布图；其中，当获得磁场信号时，磁场信号的直径小于电场信号的直径，第一圆形挡板312的直径小于磁场信号的直径，光阑313的孔径和磁场信号的直径相等；当获得电场信号时，电场信号的直径小于磁场信号的直径，第一圆形挡板312的直径小于电场信号的直径，光阑313的孔径和电场信号的直径相等。
具体的，第二检测组件32包括第二分束器321、第二圆形挡板322、第二透镜323以及第二光电倍增管325，第二分束器321对分离装置20射出的待测光场进行分束，使分束后的待测光场经过第二圆形挡板322，获得电场信号或者磁场信号，电场信号或者磁场信号经过第二透镜323进行会聚，并且使会聚后的电场信号或者磁场信号通过第二光电倍增管325进行采集，从而生成相应的电场强度分布图或者磁场强度分布图；其中，当获得电场信号时，电场信号的直径大于磁场信号的直径，第二圆形挡板322的直径大于磁场信号的直径，并且小于电场信号的直径；当获得磁场信号时，磁场信号的直径大于电场信号的直径，第二圆形挡板322的直径大于电场信号的直径，并且小于磁场信号的直径。
在本实施例中，检测装置30还包括第三检测组件33，第三检测组件33用于检测介质颗粒21和待测光场的对齐程度。
具体的，检测组件包括第三圆形挡板331、第三透镜332以及相机333，分离装置20射出的待测光场依次经过第三透镜332和相机333。
在本实施例中，相机333为CCD相机。
本实施例的工作流程：
激光器11输出的激光经过半波片121和涡旋半波片122进行偏振调制，再经过反射镜13进入物镜14，激光通过物镜14聚焦到介质颗粒21上，并且通过介质颗粒21进行散射；散射后的激光在满足波矢匹配条件下经过波导薄膜22，并且通过波导薄膜22中的TE模式和TM模式的激发角度实现再辐射，从而分离激光中的电场信号和磁场信号；分离后的激光通过两个分束器分为三路，第一分束器311使分束后的激光依次经过第一圆形挡板312，使第一圆形挡板312过滤直径小于磁场信号的干扰信号；经过光阑313，使光阑313过滤直径大于磁场信号的电场信号；经过第一透镜314，使第一透镜314聚焦磁场信号，最后使聚焦后的磁场信号通过第一光纤耦合器315输入到第一光电倍增管316内，从而实现磁场分量的表征。第二分束器321使分束后的激光依次经过第二圆形挡板322，使第二圆形挡板322过滤直径小于电场信号的磁场信号，经过第二透镜323聚焦，使第二透镜323聚焦电场信号，最后使聚焦后的电场信号通过第二光纤耦合器324输入到第二光电倍增管325内，从而实现电场分量的表征；为了方便观察介质颗粒21和激光的对齐程度，通过第三圆形挡板331、第三透镜332以及相机333进行观察。
图2是根据本发明的一个实施例的光场强度检测方法的示意性立体图。
步骤101，获取待测光场相匹配的介质颗粒的直径，其中，介质颗粒同时具有电偶共振和磁偶共振。
介质颗粒不同于金属颗粒，在可见光波段中不仅存在电偶共振，而且存在磁偶共振，因此，通过介质颗粒可以实现光场中的电场分量和磁场分量的同时表征。当介质颗粒在入射光场的作用下表现为电偶极子时，实质上是介质颗粒和光场中的电场分量相互作用的结果，此时，可以通过介质颗粒的散射光将入射光场中的电场分量耦合到远场进行探测。同理，当介质颗粒在入射光场作用下表现为磁偶极子时，此时，实质上是介质颗粒和光场中的磁场分量相互作用的结果，此时，可以通过介质颗粒的散射光将入射光场中的磁场分量耦合到远场进行探测。介质颗粒对待测光场同时具有电偶共振和磁偶共振，从而为实现电场分量和磁场分量的同步表征提供了条件。
图3(a)显示了直径为150nm的硅颗粒在波长为400nm-800nm范围的散射谱线。为了进一步明确两个共振峰的性质，分别对504nm、598nm这两个波长的电场模式和磁场模式进行计算。如图3(b)-(c)分别显示了电场分布和磁场分布，并且表现为典型的电偶极子共振模式。图3(d)-(e)所示分别显示了电场分布和磁场分布，并且表现为典型的磁偶极子共振模式。由3(a)-(e)可知，入射光波长在504nm出现了电偶极子共振峰，入射光波长在598nm出现了磁偶极子共振峰。同时，电偶极子共振峰和磁偶极子共振峰并没有完全分立，在这两个峰值之间存在较大的交叠区域，由此可知，这个交叠区域内同时存在电偶共振和磁偶共振。从图3(a)的普线图中可以看出，入射光波长在550nm附近，电偶共振和磁偶共振的强度相当。通过上述实验可以得出，直径为150nm的硅颗粒适合对入射光波长为550nm的入射光场进行电场分量和磁场分量的同时探测。因此，针对不同波长的待测光场，只需对介质颗粒的材料和尺寸进行适当的选择即可。
在本实例中，通过FDTD算法对待测光场的介质颗粒建模，从而获取待测光场相匹配的介质颗粒的直径。
步骤102，获取待测光场相匹配的波导薄膜的厚度，其中，波导薄膜同时支持横电波模式和横磁波模式。
通过介质颗粒的电偶共振和磁偶共振，可以实现对待测光场的电场分量和磁场分量的同时表征，但是，如何将介质颗粒散射后的电场信号和磁场信号进行分离又是另外一个问题。
在现有技术中，在金属薄膜和玻璃基底的结构中，当入射光满足波矢匹配条件时，入射光会在金属薄膜表面产生表面等离子体(surface plasmon polariton,SPP)，SPP是一种比较特殊的表面波形式，仅由横磁波(TM)模式激发，横磁波模式以下简称TM模式，而横电波(TE)模式则无法激发SPP，横电波模式以下简称TE模式。在本实例中，波导薄膜包括从上至下依次层叠的介质薄膜、金属薄膜以及玻璃基底，由于介质薄膜的存在，不仅使波导薄膜具有TM模式的特征，还具有TE模式的特征。
图4(a)所示，在本实施例中，波导薄膜包括氧化铝膜、金膜以及玻璃基底。在本实例中，通过改变各层薄膜的厚度，可以影响波导薄膜对TE模式和TM模式的支持程度，因此，通过调节各层薄膜之间的厚度，可以使波导薄膜同时支持TE模式和TM模式。如图4(b)所示，经过试验测试，当氧化铝膜的厚度为200nm以及金膜的厚度为45nm时，可使波导薄膜对波长为633nm的入射光同时支持TE模式和TM模式，并且TE模式的激发角度和TM模式的激发角度相差10度以上，也就是说，分离后的电场信号和磁场信号相差10度以上，从而便于采集分离后的电场信号和磁场信号。
为了进一步验证波导薄膜的传输性质，通过对波导薄膜的散射关系进行计算，并且对波导薄膜中的TE模式和TM模式的场分布进行仿真。由图5(a)-(b)可知，波导薄膜同时支持TE模式和TM模式的情况受到入射光波长的影响，具有明显的色散性质，具体表现在两个模式的强度和激发角度等方面。当然，波导薄膜的色散性质也说明了针对不同波长的待测光场，需要匹配不同厚度的波导薄膜，使得波导薄膜所支持的TE模式和TM模式具有比较接近的强度，从而使得分离出来的电场信号和磁场信号具有较强的信号。
在本实例中，通过FDTD算法对待测光场的波导薄膜建模，从而获取待测光场相匹配的波导薄膜的厚度。
步骤103，使待测光场依次经过介质颗粒和波导薄膜，从而分离待测光场中的电场信号和磁场信号。
如图6(a)所示，介质颗粒为硅颗粒，硅颗粒的直径为150nm，介质薄膜为氧化铝，氧化铝的厚度为200nm，金属薄膜为金膜，金膜的厚度为45nm。首先，通过介质颗粒对待测光场光进行散射，从而实现电场分量和磁场分量的同步表征；然后，通过波导薄膜对散射光中的电场信号和磁场信号进行不同激发角度的辐射，从而对待测光场中的电场信号和磁场信号进行分离。如图6(b)所示，图中示出了内外两个亮环，根据偶极子模型可确认外侧亮环为电场信号，内侧亮环为磁场信号。
步骤104，采集电场信号和磁场信号，并且生成相应的电场强度分布图和磁场强度分布图。
通过检测装置采集分离后的电场信号和磁场信号，并且生成相应的电场强度分布图和磁场强度分布图。
以上为对本发明所提供的一种光场强度检测系统和方法的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施例及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种光场强度检测系统，其特征在于，包括：
待测光场产生装置，所述待测光场产生装置用于产生待测光场；
分离装置，所述分离装置包括介质颗粒和波导薄膜，所述待测光场依次经过介质颗粒和波导薄膜，介质颗粒产生散射光实现待测光场的响应，波导薄膜对散射光中的电场信号和磁场信号进行分离，其中，所述介质颗粒同时具有电偶共振和磁偶共振，所述波导薄膜同时支持横电波模式和横磁波模式；以及
检测装置，所述检测装置用于采集所述电场信号和所述磁场信号，并且生成相应的电场强度分布图和磁场强度分布图。
2.根据权利要求1所述的光场强度检测系统，其特征在于，所述待测光场产生装置包括激光器和物镜，所述激光器产生的激光经过物镜。
3.根据权利要求2所述的光场强度检测系统，其特征在于，所述待测光场产生装置还包括偏振片和反射镜，所述激光器产生的激光依次经过偏振片、反射镜以及物镜。
4.根据权利要求1所述的光场强度检测系统，其特征在于，所述介质颗粒为硅颗粒。
5.根据权利要求1所述的光场强度检测系统，其特征在于，所述波导薄膜为从上至下依次层叠的介质薄膜、金属薄膜以及玻璃基底基底。
6.根据权利要求1所述的光场强度检测系统，其特征在于，所述检测装置包括第一检测组件和第二检测组件，所述第一检测组件用于采集电场信号或者磁场信号，并且生成相应的电场强度分布图或者磁场强度分布图；所述第二检测组件用于采集所述磁场信号或者电场信号，并且生成相应的磁场强度分布图或者电场强度分布图。
7.根据权利要求6所述的光场强度检测系统，其特征在于，所述第一检测组件包括第一分束器、第一圆形挡板、光阑、第一透镜以及第一光电倍增管，所述第一分束器对分离装置射出的待测光场进行分束，使分束后的待测光场经过第一圆形挡板和光阑，输出磁场信号或者电场信号，磁场信号或者电场信号经过第一透镜进行会聚，并且使会聚后的磁场信号或者电场信号通过第一光电倍增管进行采集，从而生成相应的磁场强度分布图或者电场强度分布图；其中，当获得磁场信号时，所述磁场信号的直径小于电场信号的直径，所述第一圆形挡板的直径小于磁场信号的直径，所述光阑的孔径和磁场信号的直径相等；当获得电场信号时，所述电场信号的直径小于磁场信号的直径，所述第一圆形挡板的直径小于电场信号的直径，所述光阑的孔径和电场信号的直径相等。
8.根据权利要求6所述的光场强度检测系统，其特征在于，所述第二检测组件包括第二分束器、第二圆形挡板、第二透镜以及第二光电倍增管，所述第二分束器对分离装置射出的待测光场进行分束，使分束后的待测光场经过第二圆形挡板，获得电场信号或者磁场信号，电场信号或者磁场信号经过第二透镜进行会聚，并且使会聚后的电场信号或者磁场信号通过第二光电倍增管进行采集，从而生成相应的电场强度分布图或者磁场强度分布图；其中，当获得电场信号时，所述电场信号的直径大于磁场信号的直径，所述第二圆形挡板的直径大于磁场信号的直径，并且小于电场信号的直径；当获得磁场信号时，所述磁场信号的直径大于电场信号的直径，所述第二圆形挡板的直径大于电场信号的直径，并且小于磁场信号的直径。
9.根据权利要求1所述的光场强度检测系统，其特征在于，所述检测装置还包括第三检测组件，所述第三检测组件用于检测介质颗粒和待测光场的对齐程度。
10.一种光场强度检测方法，其特征在于，包括：
获取待测光场相匹配的介质颗粒的直径，其中，所述介质颗粒同时具有电偶共振和磁偶共振；
获取待测光场相匹配的波导薄膜的厚度，其中，所述波导薄膜同时支持横电波模式和横磁波模式；
控制待测光场依次经过介质颗粒和波导薄膜，从而分离待测光场中的电场信号和磁场信号；
采集所述电场信号和所述磁场信号，并且生成相应的电场强度分布图和磁场强度分布图。
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011169680A (ja) * | 2010-02-17 | 2011-09-01 | National Institute Of Information & Communication Technology | 電磁界プローブ装置 |
| CN105181652A (zh) * | 2015-07-16 | 2015-12-23 | 深圳大学 | 基于表面等离子体耦合发射效应的光场成像系统 |
| CN108458788A (zh) * | 2017-12-25 | 2018-08-28 | 清华大学 | 一种纳米尺度光场矢量偏振分布检测系统和方法 |
| CN210242983U (zh) * | 2019-05-09 | 2020-04-03 | 深圳大学 | 光场强度检测系统 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110250406A1 (en) * | 2008-11-07 | 2011-10-13 | Rashid Zia | Enhanced magnetic dipole transitions in lanthanide materials for optics and photonics |
| US10345093B2 (en) * | 2015-12-11 | 2019-07-09 | University Of Helsinki | Arrangement and method of determining properties of a surface and subsurface structures |
-
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011169680A (ja) * | 2010-02-17 | 2011-09-01 | National Institute Of Information & Communication Technology | 電磁界プローブ装置 |
| CN105181652A (zh) * | 2015-07-16 | 2015-12-23 | 深圳大学 | 基于表面等离子体耦合发射效应的光场成像系统 |
| CN108458788A (zh) * | 2017-12-25 | 2018-08-28 | 清华大学 | 一种纳米尺度光场矢量偏振分布检测系统和方法 |
| CN210242983U (zh) * | 2019-05-09 | 2020-04-03 | 深圳大学 | 光场强度检测系统 |
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