专利名称：一种光学相位器件及其应用方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及传感技术及色散补偿技术领域，尤其涉及一种光学相位器件及其应用方法和系统。
背景技术：
当光束在界面发生反射时，当界面的反射率函数(包括强度和相位)不为常数时， 将可能发生一系列非镜面反射现象。例如光束中心在反射界面的入射点和出射点之间可以存在一定的侧向位移。这一现象首先由Goos和Hanchen通过实验证实，因而被称为古斯汉欣现象(Goos Hanchen effect) 0其他同时可能发生的非镜面反射效应包括纵向位移 (Imbert-Fedorov shift)、角度旋转以及光束形状变化等。作为非镜面反射的典型效应，古斯汉欣现象自被发现以来一度成为研究热点，在几十年间得到了深入研究。研究发现古斯汉欣现象的产生是由反射率函数中的角度相关的相位项的跳变引起的。对于接近准直的光束而言，古斯汉欣位移的大小由反射时光束经历的角度相关的相位跳变对于入射光波数的一阶导数决定。通常情况下，这种相位跳变不大，因此古斯汉欣位移的大小一般仅在波长量级，往往可被忽略。几十年来的研究发现可以通过材料的选择，如包括金属在内的吸收材料，左手人工材料等增强古斯汉欣现象。以往研究也发现，在两个材料界面上发生全反射时，在全反射角附近，即反射强度发生显著变化时，由于反射率函数的相位项会发生明显改变，从而可以产生古斯汉欣现象。此外，一些能产生能产生倏逝波的结构中的古斯汉欣现象也被广泛研究，如表面等离子共振结构、金属包覆的光波导结构、双棱镜结构等。其中，Felkicq等人对光束入射到位于低折射率材料中的一维均勻周期性光子晶体层的透射反射特性进行了研究(Optics Letters, 28 (2003) pp. 1633)，发现在光子晶体禁带边缘、反射率变化剧烈的区域，会产生类似全反射时的古斯汉欣效应。王立刚等人对两面均为低折射率介质的一维光子晶体结构缺陷模式的反射光和透射光的古斯汉欣效应进行了研究(Optics Letters, 31 (2006) pp. 101)。他们通过在光子晶体中加入缺陷层，破坏光子晶体的禁带，在高反射率区间内引入一个吸收峰，引入的缺陷模式增强了相位变化，从而将古斯汉欣位移的大小提高了一个量级。上述研究中涉及的结构能够产生较大相位变化、即较大古斯汉欣位移时，均伴随有显著的反射率强度变化。近年来，对包含金属结构中的古斯汉欣位移的理论和实验研究取得了长足进步， 并已经开始在传感领域得到了应用。Yin等人在对表面等离子体共振传感器的研究中指出， 由于表面等离子体共振发生时，反射光不仅在强度上急剧减弱，而且在相位上发生相位跳变，因而能产生增强的古斯汉欣位移。Yin等人提出利用利用古斯汉欣效应提高表面等离子体共振传感器的检测灵敏度(Applied Physics Letters, 89 (2006) pp. 261108) 这种方法将待测液体的浓度变化转化为折射率变化，进而表面等离子共振的条件发生变化，使得反射光相位发生变化，并转化为sra结构中的增强的古斯汉欣位移变化，检测时通过检测由浓度变化引起的古斯汉欣位移的变化大小来确定待测样品折射率的变化。陈麟等人采用类似的方法，通过检测光波导振荡场传感器中增强的古斯汉欣位移变化大小来确定待测样品折射率的变化(Applied Physics Letters，89 Q006)pp. 081120)。虽然现有技术可以通过结构的设计大大增强古斯汉欣效应，将其从波长量级增大到微米乃至亚毫米量级，使其具有实际应用价值，但是相位跳变的增强往往对应反射谱上增强的吸收峰，现有结构均无法避免这点。这使得在古斯汉欣位移的检测中，待测的反射光束往往强度非常微弱，信噪比极低，这在增强了检测难度的同时降低了测量的可靠性。宽谱光脉冲在光纤中传输时，光纤的群速度色散会导致脉冲展宽，因此需要使用色散补偿器件对其进行色散补偿。此外，当对短光脉冲进行脉冲放大等处理时，会使用色散控制器件将脉冲进行啁啾展宽。因此，色散控制器件对于短脉冲的传输、控制、应用等都具有重要的意义。目前常用的色散控制器件主要包括色散补偿光纤(DCF)、光纤布拉格光栅(FBG)、 光栅对、盖尔斯-特纳尔斯干涉仪等。DCF在1550nm具有正常色散，可以补偿单模光纤所导致的脉冲展宽，但是由于其色散量太小，Ikm的DCF仅能对Skm-IOkm普通单模光纤所导致的色散进行补偿，此外，DCF在1550nm的传输损耗较高，其较小的模场直径带来的高非线性特性也不适用于具有高峰值功率的超短脉冲。FBG在禁带边沿具有较大的群速度色散，可以对脉冲的色散进行控制，但是由于FBG的带宽往往较窄，如将其应用于带宽色散控制，需要制作非常长的光栅，而且FBG对于温度敏感，无法实现实用化。平行放置的光栅对可以作为色散延迟线，对通过的脉冲产生反常的群速度色散，其缺点在于存在较大的衍射损耗。盖尔斯-特纳尔斯干涉仪可以反射全部的光脉冲能量，对脉冲进行色散控制，但是其带宽很窄， 需要通过多级级联结构实现宽带色散控制。啁啾反射镜等器件则一方面具有高反射率基底，同时设计反射镜在正入射或较小角度入射条件下的波长相关的相位响应，来提供色散控制能力。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种光学相位器件及其应用方法和系统。本发明提供了一种光学相位器件，包括透明电介质基底、多层介质材料层和介质缓冲层，透明电介质基底、多层介质材料层和介质缓冲层的折射率均大于外部介质的折射率；对于入射光束的工作波长，该光学相位器件在角度区间[α，β]内具有相位变化，该光学相位器件在与介质缓冲层相邻的外部介质和介质缓冲层的交界面处发生全反射的全反射临界角为Y，Y < β ；在该光学相位器件工作时，该光学相位器件的反射率曲线平坦。在一个示例中，多层介质材料层由两种以上具有不同折射率的介质材料层交替形成。在一个示例中，对于入射光束的工作波长，多层介质材料层在角度区间[α ’，β ’] 内具有相位变化，且α，< α，Υ < β ’。在一个示例中，光学相位器件的工作角度范围为[θ 1，θ 2], max(a , γ) < θ 1 < Θ2< β ；光学相位器件在工作范围内保持全反射。在一个示例中，介质缓冲层的厚度 dbuffCT大于或等于0，并且dbuffer *^, 2 +.( nJsm2^i )-]};
bluffer — n2s Sin2 θ)υ2nmH2buffer — n2s sin2 θ其中λ为入射光束的工作波长；ns，nbuffCT，1^分别是透明电介质基底、介质缓冲层和介质缓冲层相邻的外界介质的折射率；P代表入射光束的偏振态；对于TM偏振p = 1 ；对于TE偏振p = 0 ； θ为入射光束的工作角度，max( α，γ ) < θ < β。本发明提供了一种光学相位器件的传感应用系统，包括按照光路上的顺序设置的激光光源、偏振控制器件、光束控制器件、光束耦合器件、光学相位器件和光检测器件；被测样品与光学相位器件相邻，被测样品与光学相位器件形成交界面；通过样品池和微流通道系统进样；其中，激光光源发出的单色光束的入射角度在工作角度范围[θ 1，θ 2]；光学相位器件具有相位变化的角度区间[α，β ]，该光学相位器件在与被测样品的交界面处发生全反射时的全反射临界角为Y，Y < β ；max(a , γ) < θ 1 < θ 2 < β ；在该光学相位器件工作时，该光学相位器件的反射率曲线平坦。本发明提供了一种光学相位器件的传感应用系统，包括按照光路上的顺序设置的激光光源、偏振控制器件、光束控制器件、光束耦合器件、光学相位器件和光检测器件；被测样品薄膜与光学相位器件相邻，被测样品薄膜与光学相位器件形成第一交界面，外部介质与第一交界面相对的被测样品薄膜的一侧相邻，被测样品薄膜与外部介质形成第二交界面；其中，外部介质的折射率低于被测样品薄膜及光学相位器件中所用材料的折射率；第一交界面与第二交界面平行；激光光源发出的单色光束的入射角度在工作角度范围
；附着有被测样品薄膜的光学相位器件具有相位变化的角度区间[α，β]，该光学相位器件在被测样品薄膜与外部介质的第二交界面处发生全反射时的全反射临界角为 Y , Y < β ；max(a , γ) < θ 1 < Θ2< β ；在该光学相位器件工作时，该光学相位器件的反射率曲线平坦。本发明提供了一种光学相位器件的传感应用方法，包括步骤1，将单色光束的偏振态固定；被测样品与光学相位器件相邻，并与光学相位器件形成交界面；单色光束的入射角度在工作角度范围[θ 1，θ 2]；光学相位器件具有相位变化的角度区间[α，β ]，该光学相位器件在与被测样品的交界面处发生全反射时的全反射临界角为Y，Y < β ；max(a , γ) < θ 1 < θ 2 < β ；在该光学相位器件工作时，该光学相位器件的反射率曲线平坦；步骤2，单色光束入射到光学相位器件，在光学相位器件与被测样品的交界面处形成全反射；步骤3，对出射光束的非镜面反射参数进行检测；步骤4，根据检测所得非镜面反射参数值得到被测样品的折射率。本发明提供了一种光学相位器件的传感应用方法，包括步骤10，将单色光束的偏振态固定；被测样品薄膜与光学相位器件相邻，被测样品薄膜与光学相位器件形成第一交界面，外部介质与第一交界面相对的被测样品薄膜的一侧相邻，被测样品薄膜与外部介质形成第二交界面，且第一交界面与第二交界面平行，外部介质折射率低于被测样品薄膜和光学相位器件中所用材料的折射率；单色光束的入射角度在工作角度范围[Θ1，θ 2]；附着有被测样品薄膜的光学相位器件具有相位变化的角度区间[α，β]，该光学相位器件在被测样品薄膜与外部介质的第二交界面处发生全反射的全反射临界角为Y，Y < β ；max(a , γ) < θ 1 < θ 2 < β ；在该光学相位器件工作时，该光学相位器件的反射率曲线平坦；步骤20，单色光束入射到光学相位器件，在被测样品薄膜与外部介质的第二交界面处形成全反射；步骤30，对出射光束的非镜面反射参数进行检测；步骤40，根据检测所得非镜面反射参数值得到被测样品薄膜的折射率或厚度。在一个示例中，步骤30中所述非镜面反射参数为出射光束的空间侧向位移、纵向位移、角度偏移或光束形状变化。在一个示例中，所述入射单色光束为中心入射角为θ的准平行光束，其发散角范围[Θ-ΔΘ，Θ+ΔΘ]内，其中，max (α，Υ)<θ-Δθ<θ+Δθ<β。本发明提供了一种光学相位器件的传感应用方法，包括步骤100，固定偏振态的入射光束在波长区间[λ incl, λ inc2]内具有频谱分布；被测样品与光学相位器件相邻，并与光学相位器件形成交界面；该光学相位器件具有相位变化的角度区间[a，β]；将入射光束的入射角固定为θ，max(a , γ) < θ < β，γ为该光学相位器件在与被测样品的交界面处发生全反射时的全反射临界角；在该光学相位器件工作时，该光学相位器件的反射率曲线平坦；步骤200，入射光束进入光学相位器件，在光学相位器件与被测样品的交界面处形成全反射；步骤300，对出射光束的频谱或时域参数进行检测；步骤400，根据所得的频谱或时域参数得到被测样品的折射率。本发明提供了一种光学相位器件的传感应用方法，包括步骤1000，固定偏振态的入射光束在波长区间[λ incl, λ inc2]内具有频谱分布；被测样品薄膜与光学相位器件相邻，被测样品薄膜与光学相位器件形成第一交界面，外部介质与第一交界面相对的被测样品薄膜的一侧相邻，被测样品薄膜与外部介质形成第二交界面，且第一交界面与第二交界面平行；附着有被测样品薄膜的该光学相位器件具有相位变化的角度区间[a，β]；将入射光束的入射角固定为θ，max(a，γ) < θ < β，Υ为该光学相位器件在被测样品薄膜与外部介质的第二交界面处发生全反射的全反射临界角；在该光学相位器件工作时，该光学相位器件的反射率曲线平坦；步骤2000，入射光束进入光学相位器件，在被测样品薄膜与外部介质的第二交界面处形成全反射；步骤3000，对出射光束的频谱或时域参数进行检测；步骤4000，根据所得的频谱或时域参数得到被测样品薄膜的折射率或厚度。本发明提供了一种光学相位器件的色散控制应用方法，将包含一定频率分布的入射光束通过光学耦合器件一次或多次入射到光学相位器件表面，入射到光学相位器件表面的角度范围为[Θ 1，Θ2]；该光学相位器件具有相位变化的角度区间[α，i3]，maX(a，γ) < θ 1 < Θ2< β, γ为该光学相位器件在与外界介质的交界面处发生全反射时的全反射临界角；在该光学相位器件工作时，该光学相位器件的反射率曲线平坦。
本发明提供了一种光学相位器件的色散控制应用系统，包括光学耦合器件和光学相位器件；包含一定频率分布的入射光束垂直入射到光学耦合器件的入射表面；光学相位器件与光学耦合器件的除入射表面之外的一表面相邻，该表面与光学耦合器件的入射表面不平行，光束经过光学耦合器件和反射镜一次或多次入射到光学相位器件表面并被光学相位器件反射；入射到光学相位器件的角度范围为[θ 1，θ 2]；该光学相位器件具有相位变化的角度区间[α，i3]，maX(a，γ) < θ 1 < Θ2< β ；在该光学相位器件工作时，该光学相位器件的反射率曲线平坦。本发明的光学器件结构可同时具有低损耗和大相位变化，从而具有大古斯汉欣位移(百微米量级到毫米量级)，以往的报道中大的古斯汉欣位移(大的相位跳变处)通常伴随着反射谱的衰减峰，往往相位跳变越大，损耗越大，造成古斯汉欣位移难以测量、测量的信噪比较低等问题。通过合适的设计，本发明提出的光学器件结构可产生超过现有报道最高的古斯汉欣位移大小，达到毫米乃至十毫米量级。作为色散补偿元件，可产生较大的色散量，且几乎光学损耗非常低，这都是光学色散控制元件所需要的。另外可通过调整工作角度或调谐结构参数，获得不同的色散补偿量。同时本发明的光学器件结构依赖全反射效应产生达到或接近于100%反射率的高反射系数，器件损耗非常低。与以往采用高反射率层来实现低损耗的器件相比，本发明提出的结构不仅非常简单而且在非常大的波长范围和角度范围(从全反射角到90° )内都能够实现极高的反射率，这又是其他介质和金属高反射镜所无法实现的。基于本发明提出的光学器件结构的古斯汉欣传感检测系统和传感检测方法同时具有低损耗和实际可测的较大古斯汉欣位移，使得实际测量时的信号强度大大增强，降低了检测的难度和信号的信噪比。可以在简单的实验装置下进行高灵敏度检测，比起现有报道可高2个数量级。按本发明的方法实现的传感系统在实际检测中，光路中的光源、检测结构、检测设备等都可以固定不动，便于实现集成化、小型化和便携化。
下面结合附图来对本发明作进一步详细说明，其中图1是光学相位器件结构的示意图；图2是实例1所述光学相位器件结构的反射率及多层介质材料层的反射率的角度曲线；图3是实例1所述光学相位器件结构的角度相位曲线图；图4是实例1所述光学相位器件结构的外界介质为空气时，其多层介质材料层高反射率区间的上升沿附近古斯汉欣位移的角度变化曲线；图5是实例1所述光学相位器件结构在入射角为51度时，其波长相位曲线；图6是实例1所述光学相位器件结构在入射角为51度时，其群速度色散的波长响应曲线；图7是实例2所述光学相位器件结构应用古斯汉欣传感系统中，其反射率及其多层介质材料层高反射率区间的上升沿附近的古斯汉欣位移曲线；图8是实例2所述光学相位器件结构应用古斯汉欣传感系统中，在全反射临界角为52. 87时，其上升沿位置附近的古斯汉欣位移变化曲线；图9是实例2所述光学相位器件结构在工作角度设置为54. 32度时，固定在该工作角度下的古斯汉欣位移随着外界介质折射率变化曲线；图10是包含实例2所述光学相位器件结构的古斯汉欣传感检测系统；图11是实例2中的古斯汉欣传感检测系统在工作角度设置为53. 07度时，频域相位变化随着外界介质折射率变化关系曲线；图12是实例3中的色散补偿器件在入射角度为60度时，多层介质材料层的相位改变Δφ随入射光波长λ的变化曲线；图13是实例3中的光学相位器件群速度色散与波长之间的关系曲线；图14是实例3中的基于三角形耦合棱镜的色散控制器件结构的示意15是实例3中的基于平行四边形耦合棱镜的色散控制器件结构的示意图；图16是实例3中的基于光纤等波导结构的色散控制器件结构的示意图；图17是实例3中的基于三角形耦合棱镜的色散控制器件结构的入射光脉冲和出射光脉冲的时域强度曲线；图18是实例3中的基于平行四边形耦合棱镜的色散控制器件结构的入射光脉冲和出射光脉冲的时域强度曲线；图19是实例4中的光学相位器件结构的示意图；图20是实例4中的光学相位器件的角度相位谱；图21是实例4中的光学相位器件结构应用于古斯汉欣传感系统中，在工作角度设置为55. 028时，外界介质折射率变化与工作角附近的古斯汉欣位移变化曲线；图22是实例4中的光学相位器件结构应用于古斯汉欣传感系统中，在工作角度设置为55. 028时，在该工作角度下的古斯汉欣位移随着外界介质折射率变化的关系曲线；图23是实例4中的光学相位器件结构用于频域相位传感检测，在工作角度设置为 54. 5度、入射宽谱光的波长范围为970-980nm时，在该工作角度下的频域相位变化随着外界介质折射率变化关系曲线；图M是实例5的光学相位器件在入射光波长为980nm，外界介质为空气时，该光学相位器件入射角度与相位变化的关系曲线；图25是实例5的光学相位器件在入射角度为52度，入射波长在950-1010nm的波长范围内，该光学相位器件的波长与相位关系曲线；图沈是实例5的光学相位器件的群速度色散曲线；图27是实例6的光学相位器件的入射角度与相位变换曲线；图观是实例6的光学相位器件应用于古斯汉欣传感系统中，在工作角度为54. 895 度时，随着外界介质的折射率变化，工作角附近的古斯汉欣位移变化曲线；图四是实例6的光学相位器件应用于古斯汉欣传感系统中，在工作角度为54. 895 度时，古斯汉欣位移随着外界介质折射率变化关系曲线；图30是实例6的用于频域相位传感检测中，在工作角度为54. 92度、入射宽谱光的波长范围为975-985nm时，频域相位变化随着外界介质折射率变化关系曲线；图31是实例7中水溶液作为外界介质的光相位器件的角度相位曲线图；图32是实例7中当外界介质为包含一定浓度蛋白质分子的样品溶液时，光学相位器件的相位跳变随着蛋白质吸附薄层的厚度变化而移动的曲线；图33是实例7中当入射光波长设为980nm，全反射临界角为52. 88度时，在蛋白质分子的吸附过程中，随着吸附薄层的厚度增大，古斯汉欣位移变化曲线；图34是实例7中将工作角度固定在65. 85度时，古斯汉欣位移随着吸附层厚度变化关系曲线；图35是实例7中将光学相位器件用于频域相位传感检测，设工作角度设置为66 度，入射宽谱光的波长范围为970-990nm时，频域相位变化随着外界介质折射率变化关系曲线。
具体实施例方式本发明提供的光学相位器件的结构中，多层介质材料层是具有一定反射率并同时具有较大反射相位变化的结构，如将其近似等效为一个反射面，其反射系数为巧，大角度入射的入射光将在该反射面与发生全反射的界面之间产生多次反射与折射，则该光学相位器件的反射率Γ可近似描述为
权利要求
1.一种光学相位器件，其特征在于，包括透明电介质基底、多层介质材料层和介质缓冲层，透明电介质基底、多层介质材料层和介质缓冲层的折射率均大于外部介质的折射率；对于入射光束的工作波长，该光学相位器件在角度区间[α，β]内具有相位变化，该光学相位器件在与介质缓冲层相邻的外部介质和介质缓冲层的交界面处发生全反射的全反射临界角为Y，Y < β ；在该光学相位器件工作时，该光学相位器件的反射率曲线平坦。
2.如权利要求1所述的光学相位器件，其特征在于，多层介质材料层由两种以上具有不同折射率的介质材料层交替形成。
3.如权利要求1所述的光学相位器件，其特征在于，对于入射光束的工作波长，多层介质材料层在角度区间[α ’，β ’ ]内具有相位变化，且α ’ < α，Υ < β ’。
4.如权利要求1所述的光学相位器件，其特征在于，光学相位器件的工作角度范围为 [θ 1，θ 2]，maX(a，γ) < θ 1 < θ 2 < β ；光学相位器件在工作范围内保持全反射。
5.如权利要求1或2所述的光学相位器件，其特征在于，介质缓冲层的厚度dbuffCT大于或等于0，并且“ 一_^_。,……-ιΓΛ参伪,n2s sm2 θ-n2m 1/2dbuffer 本"ΤV1-2 ■ 2 ^1/2^ + 2 K-) · -2 ■ 2 J ] }；Mn2buffer - n2s sin2 θ)υ2nmH2buffer - n2s sin2 θ其中λ为入射光束的工作波长；ns，nbuffCT， 分别是透明电介质基底、介质缓冲层和介质缓冲层相邻的外界介质的折射率；P代表入射光束的偏振态；对于TM偏振ρ = 1 ；对于 TE偏振p = 0 ； θ为入射光束的工作角度，max(a , γ) < θ < β。
6.一种光学相位器件的传感应用系统，其特征在于，包括按照光路上的顺序设置的激光光源、偏振控制器件、光束控制器件、光束耦合器件、光学相位器件和光检测器件；被测样品与光学相位器件相邻，被测样品与光学相位器件形成交界面；通过样品池和微流通道系统进样；其中，激光光源发出的单色光束的入射角度在工作角度范围[Θ1，θ 2]；光学相位器件具有相位变化的角度区间[α，β ]，该光学相位器件在与被测样品的交界面处发生全反射时的全反射临界角为Y，Y < β ；max(a , γ) < θ 1 < Θ2< β ；在该光学相位器件工作时，该光学相位器件的反射率曲线平坦。
7.一种光学相位器件的传感应用系统，其特征在于，包括按照光路上的顺序设置的激光光源、偏振控制器件、光束控制器件、光束耦合器件、光学相位器件和光检测器件；被测样品薄膜与光学相位器件相邻，被测样品薄膜与光学相位器件形成第一交界面，外部介质与第一交界面相对的被测样品薄膜的一侧相邻，被测样品薄膜与外部介质形成第二交界面；其中，外部介质的折射率低于被测样品薄膜及光学相位器件中所用材料的折射率；第一交界面与第二交界面平行；激光光源发出的单色光束的入射角度在工作角度范围[θ 1， θ 2]；附着有被测样品薄膜的光学相位器件具有相位变化的角度区间[α，β]，该光学相位器件在被测样品薄膜与外部介质的第二交界面处发生全反射时的全反射临界角为Y，Y < β ；max(a, γ) < θ 1 < θ 2 < β ；在该光学相位器件工作时，该光学相位器件的反射率曲线平坦。
8.一种光学相位器件的传感应用方法，其特征在于，包括步骤1，将单色光束的偏振态固定；被测样品与光学相位器件相邻，并与光学相位器件形成交界面；单色光束的入射角度在工作角度范围[θ 1，θ 2]；光学相位器件具有相位变化的角度区间[α，β ]，该光学相位器件在与被测样品的交界面处发生全反射时的全反射临界角为Y，Y < β ；max(a , γ) < θ 1 < θ 2 < β ；在该光学相位器件工作时，该光学相位器件的反射率曲线平坦；步骤2，单色光束入射到光学相位器件，在光学相位器件与被测样品的交界面处形成全反射；步骤3，对出射光束的非镜面反射参数进行检测；步骤4，根据检测所得非镜面反射参数值得到被测样品的折射率。
9.一种光学相位器件的传感应用方法，其特征在于，包括步骤10，将单色光束的偏振态固定；被测样品薄膜与光学相位器件相邻，被测样品薄膜与光学相位器件形成第一交界面，外部介质与第一交界面相对的被测样品薄膜的一侧相邻，被测样品薄膜与外部介质形成第二交界面，且第一交界面与第二交界面平行，外部介质折射率低于被测样品薄膜和光学相位器件中所用材料的折射率；单色光束的入射角度在工作角度范围[θ 1，θ 2]；附着有被测样品薄膜的光学相位器件具有相位变化的角度区间 [α, β],该光学相位器件在被测样品薄膜与外部介质的第二交界面处发生全反射的全反射临界角为Y，Y < β ；max(a , γ) < θ 1 < θ 2 < β ；在该光学相位器件工作时，该光学相位器件的反射率曲线平坦；步骤20，单色光束入射到光学相位器件，在被测样品薄膜与外部介质的第二交界面处形成全反射；步骤30，对出射光束的非镜面反射参数进行检测；步骤40，根据检测所得非镜面反射参数值得到被测样品薄膜的折射率或厚度。
10.如权利要求8或9所述的传感应用方法，其特征在于，步骤30中所述非镜面反射参数为出射光束的空间侧向位移、纵向位移、角度偏移或光束形状变化。
11.如权利要求8或9所述的传感应用方法，其特征在于，所述入射单色光束为中心入射角为θ的准平行光束，其发散角范围[Θ-Δ θ，Θ+Δ Θ]内，其中，max(a，γ) < θ -Δ θ < θ +Δ θ <β。
12.一种光学相位器件的传感应用方法，其特征在于，包括步骤100，固定偏振态的入射光束在波长区间[λ Μ ，λ inc2]内具有频谱分布；被测样品与光学相位器件相邻，并与光学相位器件形成交界面；该光学相位器件具有相位变化的角度区间[α，β]；将入射光束的入射角固定为e，max(a，γ) < θ < β, y为该光学相位器件在与被测样品的交界面处发生全反射时的全反射临界角；在该光学相位器件工作时，该光学相位器件的反射率曲线平坦；步骤200，入射光束进入光学相位器件，在光学相位器件与被测样品的交界面处形成全反射；步骤300，对出射光束的频谱或时域参数进行检测；步骤400，根据所得的频谱或时域参数得到被测样品的折射率。
13.一种光学相位器件的传感应用方法，其特征在于，包括步骤1000，固定偏振态的入射光束在波长区间[λ incl, λ inc2]内具有频谱分布；被测样品薄膜与光学相位器件相邻，被测样品薄膜与光学相位器件形成第一交界面，外部介质与第一交界面相对的被测样品薄膜的一侧相邻，被测样品薄膜与外部介质形成第二交界面， 且第一交界面与第二交界面平行；附着有被测样品薄膜的该光学相位器件具有相位变化的角度区间[α，β]；将入射光束的入射角固定为e，max(a，γ) < θ < β, y为该光学相位器件在被测样品薄膜与外部介质的第二交界面处发生全反射的全反射临界角；在该光学相位器件工作时，该光学相位器件的反射率曲线平坦；步骤2000，入射光束进入光学相位器件，在被测样品薄膜与外部介质的第二交界面处形成全反射；步骤3000，对出射光束的频谱或时域参数进行检测；步骤4000，根据所得的频谱或时域参数得到被测样品薄膜的折射率或厚度。
14.一种光学相位器件的色散控制应用方法，其特征在于，将包含一定频率分布的入射光束通过光学耦合器件一次或多次入射到光学相位器件表面，入射到光学相位器件表面的角度范围为[Θ1，θ 2]；该光学相位器件具有相位变化的角度区间[α，^],max(a, y) < Θ1< Θ2< β, γ为该光学相位器件在与外界介质的交界面处发生全反射时的全反射临界角；在该光学相位器件工作时，该光学相位器件的反射率曲线平坦。
15.一种光学相位器件的色散控制应用系统，其特征在于，包括光学耦合器件和光学相位器件；包含一定频率分布的入射光束垂直入射到光学耦合器件的入射表面；光学相位器件与光学耦合器件的除入射表面之外的一表面相邻，该表面与光学耦合器件的入射表面不平行，光束经过光学耦合器件和反射镜一次或多次入射到光学相位器件表面并被光学相位器件反射；入射到光学相位器件的角度范围为[θ 1，θ 2]；该光学相位器件具有相位变化的角度区间[a，i3]，max(a，γ) < θ 1 < θ 2 < β ；在该光学相位器件工作时，该光学相位器件的反射率曲线平坦。
全文摘要
本发明公开了一种光学相位器件及其应用方法和系统。该光学相位器件，包括透明电介质基底、多层介质材料层和介质缓冲层，透明电介质基底、多层介质材料层和介质缓冲层的折射率均大于外部介质的折射率；对于入射光束的工作波长，该光学相位器件在角度区间[α，β]内具有相位变化，该光学相位器件在与介质缓冲层相邻的外部介质和介质缓冲层的交界面处发生全反射的全反射临界角为γ，γ＜β；在该光学相位器件工作时，该光学相位器件的反射率曲线平坦。本发明的光学器件可同时具有低损耗和大相位变化，从而具有大古斯汉欣位移。作为色散补偿元件，可产生较大且可调谐的色散量，可通过调整工作角度或调谐结构参数，获得不同的色散补偿量。
文档编号G01N21/43GK102230986SQ201110132978
公开日2011年11月2日 申请日期2011年5月20日 优先权日2011年5月20日
发明者万育航, 关静宜, 赵欣, 郑铮, 鹿智婷 申请人:北京航空航天大学