CN117288718A - 基于光自旋霍尔效应旋转的折射率测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光自旋霍尔效应旋转的折射率测量方法及装置，使偏振态的入射光束照射向待测介质，并在待测介质的界面上反射时产生光自旋霍尔效应；其中待测介质的界面上入射光束的偏振方向与入射面的夹角为γ，入射角度为θ；再改变反射光束的偏振从而产生能够被观察到的分裂光斑，并记录下此时反射光束的偏振方向与垂直方向的夹角Δ。最后根据γ、θ、和Δ来计算折射率。本发明的方法实现过程以及装置结构均较为简单，且成本低。基于在布儒斯特角附近，光自旋霍尔效应急剧旋转的特点，介质的折射率n₂的微小变化，也能导致Δ的显著变化，从而可以精确测量折射率n₂。

Description

基于光自旋霍尔效应旋转的折射率测量方法及装置

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种基于光自旋霍尔效应旋转的折射率测量方法及装置。

背景技术

折射率是材料的一种重要光学性质。折射率不仅体现材料的光学性能，而且能反映材料的浓度、色散、微观结构等性质。折射率测量在材料制备、化学化工、环境监测、食品生产、生物医学等方面有广泛的应用。

测量折射率是鉴别、表征材料的必要途径。常规的测量方法，一般根据光的折射定律，折射率的比值等于入射角的正弦与折射角的正弦之比，来确定折射率。但是，常规仪器对角度的测量精度很难超过0.01°。这就导致一般的测量仪器，如椭偏仪或阿贝尔折射仪，测量折射率的精度不高，典型地不超过10^-4。近年来出现的新传感方法，如利用色散特性的光纤光栅或表面等离子共振，尽管可以达到更高精度(10^-6)，但是需要采用光谱仪，因此成本高昂。到目前为止，发展结构简单、成本低而精度高的折射率测量方法，仍是一个急需解决的挑战。

发明内容

为了解决目前折射率测量方式精度低、成本高的技术问题，本发明提供一种能够实现低成本高精度测量折射率的基于光自旋霍尔效应旋转的折射率测量方法及装置。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，

一种基于光自旋霍尔效应旋转的折射率测量方法，包括以下步骤：

步骤1，使偏振态的入射光束照射向待测介质，并在待测介质的界面上反射时产生光自旋霍尔效应；其中待测介质的界面上入射光束的入射角度为θ，入射光束的偏振态是由起偏器产生的，起偏器的偏振方向与入射面的夹角为γ；

步骤2，再用检偏器改变反射光束的偏振从而产生能够被观察到的分裂光斑，并记录下此时检偏器的偏振方向与垂直方向的夹角Δ；其中分裂光斑为两个同等大小的光斑，垂直方向是与入射面垂直的方向；

步骤3，根据下式计算待测介质的折射率n₂：

其中n₁为入射光束在照射到待测介质之前所在介质的折射率。

所述的方法，还包括步骤4：

调整γ，然后重新执行步骤1-步骤3以获得新的n₂；在循环预定次数后，求得所有n₂的平均值来作为介质的折射率。

所述的方法，所述的步骤1中，所述的入射角度θ是接近布儒斯特角的角度，从而使Δ大于γ。

一种基于光自旋霍尔效应旋转的折射率测量装置，包括用于产生偏振态的入射光束的入射光产生装置、待测介质、分裂光斑产生装置和光束检测装置；

所述的待测介质的界面与入射光束之间的角度为θ，且入射光束在待测介质的界面上反射时发生光自旋霍尔效应；

所述的入射光产生装置产生的入射光束的偏振方向，是与待测介质界面处的入射面的夹角为γ；

所述的分裂光斑产生装置包括检偏器，检偏器设置于待测介质界面处产生的反射光束的光路上，并使反射光束的偏振发生改变，从而产生能够被观察到的分裂光斑；

所述的光束检测装置设置于分裂光斑产生装置产生的分裂光斑的光路上，以检测分裂光斑是否为两个同等大小的光斑，当分裂光斑为两个同等大小的光斑时，记录下检偏器的偏振方向与垂直方向的夹角Δ，其中垂直方向是与入射面垂直的方向，从而计算出待测介质的折射率。

所述的装置，所述的入射偏振光产生装置包括光源，以及沿光源产生的光束的光路依次设置的光强调节器、入射透镜和起偏器，其中起偏器用于使入射光束产生偏振以及调整入射光束的偏振方向即γ。

所述的装置，所述的分裂光斑产生装置还包括反射透镜，检偏器和反射透镜沿反射光束的光路依次设置。

所述的装置，还包括待测介质放置台，所述的待测介质放置台上设置有待测介质，且待测介质放置台能够转动，以使待测介质随之转动以改变θ，并使θ接近布儒斯特角，从而使Δ大于γ。

所述的装置，在获得θ、Δ和γ后，是根据下式计算出待测介质的折射率n₂：

其中n₁为入射光束在照射到待测介质之前所在介质的折射率。

本发明的技术效果在于，本发明基于光自旋霍尔效应，方法实现过程以及装置结构均较为简单，且成本低。本发明基于在布儒斯特角附近，光自旋霍尔效应急剧旋转的特点，导致Δ的变化可以比γ的变化大得多，介质的折射率n₂的微小变化，也能导致Δ的显著变化，从而可以精确测量折射率n₂。本发明的折射率测量方法精度可调。改变入射角，越接近布儒斯特角，自旋分裂光的旋转越剧烈，介质的折射率n₂的微小变化能导致Δ的更大变化，从而可以更高精度测量折射率n₂。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于光自旋霍尔效应旋转测量折射率的光路结构示意图。

图2为本发明实施例提供的对不同入射偏振角的自旋分裂光斑图。

图3为本发明实施例提供的不同折射率介质情况下，Δ随γ变化的曲线图。

图4为本发明实施例提供的折射率的微小变化(±0.000001)，引起的Δ随γ变化的曲线图。

其中1-光源，2-光强调节器，3-第一透镜，4-起偏器，5-旋转台，6-待测介质，7-检偏器，8-第二透镜，9-激光光束分析仪CCD。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明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，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付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为本发明实施例提供的基于光自旋霍尔效应旋转测量折射率的装置示意图。本实施例中的光源采用波长为632.8nm的激光器。光强调节器采用二分之一波片。第一透镜为凸透镜，焦距50mm。第二透镜，焦距为200mm。起偏器和检偏器采用格兰激光偏振器。待测样品表面光滑，置于旋转台上。

本发明的实施例中，是利用光源发出光束。利用光强调节器调节光束光强。利用第一透镜聚焦光束至待测介质表面，并由起偏器设置入射光束的偏振态。光束在介质界面上发生光自旋霍尔效应，通过检偏器检测产生的自旋分裂光。再通过第二透镜放大分裂，投射到光束分析仪CCD上，检测分裂光斑。

设起偏器所设定的偏振方向与入射面呈夹角γ，偏振态的入射光束以入射角θ_i从折射率为n₁的介质入射到折射率为n₂的待测介质。因此入射光束可以表示为根据Fresnel定律，水平和垂直偏振光的反射系数分别为

在介质界面反射后，让光经第二偏振器，其偏振方向与入射面垂直方向的夹角为Δ，那么出射光为E_Δ＝-E_psinΔ+E_scosΔ，其中E_p与E_s分别是反射光的水平与垂直偏振分量。当通过检偏器的只有Δ方向偏振分量时，由于原始的偏振分量被阻挡，出射光的中心光强等于0，即E_Δ＝0。由此，可以解得：

上式(ii)表明，当r_s/r_p很大时，Δ的变化可以比γ的变化大得多。在布儒斯特角附近，r_p的值趋于零，从而满足这一条件。这就是光自旋霍尔效应旋转。这种旋转可以如此之大，以至于介质的折射率n₂的微小变化，也能导致Δ的显著变化。因此，可以应用该效应来精确测量折射率n₂。联立上面两式(i)(ii)，得到

实施例1

测量玻璃、石英和氟化钙的折射率。采用图1所示实验装置，实验步骤为：

(1)打开光源，调节起偏器，使经过起偏器的入射光束的偏振方向与水平方向呈夹角γ，并通过第一透镜将光束聚焦至待测介质表面，调节旋转台使入射角度为56°。

(2)光束在介质界面上发生光自旋霍尔效应，所产生的反射光再通过检偏器和第二透镜，到达激光光束分析仪CCD上。

(3)调节检偏器直到激光光束分析仪CCD上可以观察到两个相同大小的分裂光斑时，记录此时与垂直方向的夹角Δ。具体来说，在激光光束分析仪CCD上观察分裂光斑，当两光斑一样大时停止旋转检偏器，此时的检偏器与垂直方向夹角即等于Δ。

(4)然后返回步骤1，调整夹角γ，并重复以上步骤，记录多组γ和Δ值，将各组γ和Δ值代入式： 值。

如图2，给出了入射光偏振角γ＝0°和γ＝0.1°时的自旋分裂光斑强度图。可见，入射光偏振角γ变化很小，自旋分裂光斑发生了巨大的旋转。由此可以放大入射偏振的变化。

如图3，画出了入射光偏振角γ在0°～0.1°范围内交叉偏振角Δ的变化曲线。图中给出了三种待测介质，分别是玻璃、石英和氟化钙时，根据公式：的理论结果。可见，待测介质折射率不同，自旋分裂光的旋转角度的大小和方向明显不同。因此，可以明确无误地鉴别材料。三条理论曲线对应的折射率值分别是：n_玻璃＝1.5151，n_石英＝1.4570，n_氟化钙＝1.4329。也就是说，本实施例所提供的方案可以测量折射率值精确到RIU10^-4。

实施例2

精确测量玻璃的折射率。采用图1所示实验装置，具体实验步骤如下：

在上述实施例1的基础上，进一步调节旋转台使入射角度更接近布儒斯特角，这里选择56.57°。再重复上述实施例1的步骤(1)-(4)，可以得到更精确的折射率值。

如图4，画出了折射率在玻璃折射基础上增减0.000001时，γ在0°～0.05°范围内交叉偏振角Δ的变动曲线。图中，分别给出了待测介质折射率等于n_玻璃＝1.515089，n_玻璃-0.000001，n_玻璃+0.000001，根据公式：计算得出的Δ相对于玻璃时Δ的变动结果。可见，待测介质折射率增减0.000001时，自旋分裂光的旋转角方向明显不同，旋转角大小的变动在0.01°数量级，因此完全用常规的角度测量工具测量。这也意味着，测量折射率可以精确到RIU10^-6。

本领域的普通技术人员应知晓的是，这里的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于光自旋霍尔效应旋转的折射率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，使偏振态的入射光束照射向待测介质，并在待测介质的界面上反射时产生光自旋霍尔效应；其中待测介质的界面上入射光束的入射角度为θ，入射光束的偏振态是由起偏器产生的，起偏器的偏振方向与入射面的夹角为γ；

步骤2，再用检偏器改变反射光束的偏振从而产生能够被观察到的分裂光斑，并记录下此时检偏器的偏振方向与垂直方向的夹角Δ；其中分裂光斑为两个同等大小的光斑，垂直方向是与入射面垂直的方向；

步骤3，根据下式计算待测介质的折射率n₂：

其中n₁为入射光束在照射到待测介质之前所在介质的折射率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括步骤4：

调整γ，然后重新执行步骤1-步骤3以获得新的n₂；在循环预定次数后，求得所有n₂的平均值来作为介质的折射率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的入射角度θ是接近布儒斯特角的角度，从而使Δ大于γ。

4.一种基于光自旋霍尔效应旋转的折射率测量装置，其特征在于，包括用于产生偏振态的入射光束的入射光产生装置、待测介质、分裂光斑产生装置和光束检测装置；

所述的待测介质的界面与入射光束之间的角度为θ，且入射光束在待测介质的界面上反射时发生光自旋霍尔效应；

所述的入射光产生装置产生的入射光束的偏振方向，是与待测介质界面处的入射面的夹角为γ；

所述的分裂光斑产生装置包括检偏器，检偏器设置于待测介质界面处产生的反射光束的光路上，并使反射光束的偏振发生改变，从而产生能够被观察到的分裂光斑；

所述的光束检测装置设置于分裂光斑产生装置产生的分裂光斑的光路上，以检测分裂光斑是否为两个同等大小的光斑，当分裂光斑为两个同等大小的光斑时，记录下检偏器的偏振方向与垂直方向的夹角Δ，其中垂直方向是与入射面垂直的方向，从而计算出待测介质的折射率。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的入射偏振光产生装置包括光源，以及沿光源产生的光束的光路依次设置的光强调节器、入射透镜和起偏器，其中起偏器用于使入射光束产生偏振以及调整入射光束的偏振方向即γ。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的分裂光斑产生装置还包括反射透镜，检偏器和反射透镜沿反射光束的光路依次设置。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括待测介质放置台，所述的待测介质放置台上设置有待测介质，且待测介质放置台能够转动，以使待测介质随之转动以改变θ，并使θ接近布儒斯特角，从而使Δ大于γ。

8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，在获得θ、Δ和γ后，是根据下式计算出待测介质的折射率n₂：

其中n₁为入射光束在照射到待测介质之前所在介质的折射率。