纳米光场自旋-轨道相互作用测量系统及方法与流程

本发明涉及纳米光学和纳米光子学测量领域，尤其涉及一种旋性分辨的探针外差干涉装置、纳米光场自旋-轨道相互作用测量方法和系统。

背景技术：

光在媒介中传播时同时存在着两种绕着光轴的转动，一种是源于光子的手性/旋性(chirality和helicity)在时间上的自旋转动，这种基于光子偏振的转动具有自旋角动量(spinangularmomentum)。另一种是源自光强度及相位在空间分布上的转动，这种基于光空间分布的转动具有轨道角动量(orbitangularmomentum)。当光子或光在非同质光学介质中传播或在光学表面发生折射或反射时，光子的自旋角动量及轨道角动量之间会相互耦合和转化，产生光子自旋-轨道相互作用。

在传统几何光学器件中的光子自旋-轨道作用十分微弱难以观测。而纳米光学中的超构表面(metasurface)器件可以作为一类有效的功能器件平台，可增强光子自旋-轨道相互作用，以实现观测。传统技术中，采用基于探针外差干涉技术的扫描近场光学显微镜可以实现相位分辨的超衍射光学分辨率的近场测量，但同时直接实现旋性分辨的近场测量很困难，因此无法直接在近场进行纳米光场自旋-轨道相互作用的测量研究。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够在介观尺度上简单直接地实现近场旋性及相位分辨的探针外差干涉装置、纳米光场自旋-轨道相互作用测量系统和方法。

本发明提供一种旋性分辨的探针外差干涉装置，包括：

分光模块，单束激光经过所述分光模块分为原测量光和原参考光；

差频生成装置，设置在所述原测量光和原参考光的传输方向上，对原测量光和原参考光进行频率调制，输出测量光和参考光，并使所述测量光与所述参考光产生预定频率差；

测量光偏振控制装置，设置在所述测量光的传输方向上，所述测量光入射到所述测量光偏振控制装置后对所述测量光的偏振态进行调整；

聚焦扫描装置，设置在所述测量光偏振控制装置的参考光的输出方向上，对经过所述测量光偏振控制装置后的测量光进行聚焦输出照明光，并微调所述照明光相对于样品的激发位置；

孔径型扫描近场光学显微镜装置，所述照明光激发所述样品产生纳米光场，所述孔径型扫描近场光学显微镜装置在近场探测收集所述纳米光场并输出样品信息光；

参考光偏振补偿装置，设置在所述参考光的传输方向上，所述参考光入射到所述参考光偏振补偿装置后输出偏振补偿光；

耦合装置，所述样品信息光与所述偏振补偿光入射到所述耦合装置发生干涉产生外差干涉光。

在一个实施例中，所述差频生成装置包括：

第一移频器和第一光阑，沿原测量光的传播方向依次设置；

第二移频器和第二光阑，沿原参考光的传播方向依次设置；

所述第一移频器和所述第二移频器为声光移频器或声光调制器。

在一个实施例中，所述测量光偏振控制装置包括起偏器、四分之一波片或空间光调制器，沿所述测量光的传播方向依次设置。

在一个实施例中，所述聚焦扫描装置包括：

聚焦元件，所述测量光经过所述测量光偏振控制装置后入射到所述聚焦元件输出弱聚焦的照明光；

扫描元件，所述扫描元件微调所述弱聚焦的照明光相对于样品的激发位置。

在一个实施例中，所述孔径型扫描近场光学显微镜装置包括：

扫描台，用于放置样品，所述扫描台中心开设有穿过所述扫描台的通光孔；

扫描头，与所述样品相对设置；

光纤探针，与所述扫描头联动设置，并与所述耦合装置连接，所述光纤探针的针尖近场探测所述样品的纳米光场并通过所述光纤探针的光纤传输所述样品信息光至所述耦合装置；

扫描近场光学显微镜控制器，与所述扫描头及所述扫描台连接，用于同步控制所述扫描头及所述扫描台实现微米级及纳米级精度三维位移；

视频显微镜和ccd摄像头，所述视频显微镜与所述扫描台搭载的样品相对设置，所述ccd摄像头固定于所述视频显微镜，用于辅助成像并反馈所述光纤探针与所述样品的相对位置。

在一个实施例中，所述光纤探针为不镀膜的裸光纤探针或镀金属膜的孔径探针或为针尖粘附金属纳米微粒的功能探针或刻蚀螺旋线手性纳米结构的功能探针。

在一个实施例中，所述参考光偏振补偿装置包括：

电动半波片和电动四分之一波片，所述电动半波片和所述四分之一波片用于电控和补偿所述参考光的偏振态，沿所述参考光的传播方向依次设置；

光纤偏振控制器，与所述耦合装置连接，所述光纤偏振控制器调节所述光纤偏振控制器的光纤中的偏振态并传输所述偏振补偿光至所述耦合装置；

光纤准直耦合器，所述光纤准直耦合器置于所述电动四分之一波片和所述光纤偏振控制器之间。

在一个实施例中，所述光纤准直耦合器为低数值孔径物镜或渐变折射率透镜，用于将空间光耦合进入所述光纤偏振控制器的光纤。

在一个实施例中，所述耦合装置包括非保偏的光纤耦合器。

在一个实施例中，所述探针外差干涉装置还包括：

在一个实施例中，所述分光模块包括偏振分光器和反射镜，所述反射镜设置在所述偏振分光器的光出射方向上。

本发明还提供一种纳米光场自旋-轨道相互作用测量方法，用于在介观尺度上测量纳米光场自旋-轨道相互作用，包括：

通过参考光偏振补偿装置和耦合装置，采用旋性分辨检测方法，产生外差干涉光并获得选择的旋性或对旋性进行分辨；

采用探针外差干涉方法，获得超光学衍射极限成像及相位分辨的性能。

在一个实施例中，所述旋性分辨检测方法包括：

采用正交偏振标定方法获得圆偏振补偿光，所述圆偏振补偿光与样品信息光在所述耦合装置中发生干涉产生所述外差干涉光；

通过调整参考光偏振补偿装置控制和切换所述圆偏振补偿光的旋性，实现对所述样品的纳米光场的旋性分辨检测。

在一个实施例中，所述正交偏振标定方法包括：

采用标准左旋或右旋圆偏振的照明光入射至样品的非结构区域，调整所述参考光偏振补偿装置使所述耦合装置输出的外差干涉光达到消光状态，以得到右旋或左旋的圆偏振补偿光。

在一个实施例中，所述探针外差干涉方法包括：

光纤探针采集样品的纳米光场的近场高空间频率信息并传输至远场，以实现超光学衍射极限测量；

原参考光与原测量光通过差频发生装置，产生的参考光与测量光具有预定频率差；

对所述外差干涉光解调可实现对所述光纤探针所在位置的纳米光场的相对相位测量。

本发明还提供一种纳米光场自旋-轨道相互作用测量系统，包括：

激光发生装置，用于输出原测量光和原参考光；

探针外差干涉装置，设置在所述激光发生装置光输出方向上，采用前述的探针外差干涉装置，用于产生外差干涉光；

数据接收处理装置，设置在所述外差干涉光的输出方向上，用于接收所述外差干涉光并分析外差干涉信息。

在一个实施例中，所述激光发生装置包括：

激光器，所述激光器输出相干性好的单纵模激光；

整形单元，所述单纵模激光经过所述整形单元输出单纵模和单横模的激光。

在一个实施例中，所述整形单元包括：

扩束器件、整形器件、准直器件、滤光器件，所述扩束器件、所述整形器件、所述准直器件和所述滤光器件沿所述激光器的光输出传输方向依次设置。

在一个实施例中，所述数据接收处理装置包括：

光电探测器，所述外差干涉光入射到所述光电探测器后输出交流电信号；

锁相放大器，与所述光电探测器电连接；

参考信号混频模块，与所述锁相放大器电连接，所述参考信号混频模块为所述锁相放大器提供参考频率信号，所述锁相放大器对所述交流电信号进行锁相和解调输出锁相解调信号；

数据采集模块，与所述锁相放大器电连接，用于采集所述锁相解调信号。

在一个实施例中，所述系统还包括计算控制终端，分别与所述孔径型探针外差干涉扫描近场光学显微镜装置和所述数据接收处理装置电连接。

旋性分辨的探针外差干涉装置、纳米光场自旋-轨道相互作用测量方法和系统，采用了探针外差干涉装置，在方法上采用了正交偏振标定方法、旋性分辨检测方法以及探针外差干涉方法，实现了超衍射光学衍射极限的旋性分辨及相位分辨的近场测量。超衍射光学极限测量可以实现在介观尺度下的表征，旋性分辨测量可以实现对纳米光场自旋角动量的表征，相位分辨测量可以实现对纳米光场轨道角动量的表征，所以本发明可以最终在介观尺度实现近场直接测量样品中的光子自旋－轨道相互作用。

附图说明

图1为一个实施例的旋性分辨的外差探针干涉装置的结构示意图；

图2为另一个实施例的旋性分辨的外差探针干涉装置的差频生成装置的结构图；

图3为一个实施例的旋性分辨的外差探针干涉装置的结构示意图；

图4为一个实施例的纳米光场自旋-轨道相互作用测量系统的结构示意图；

图5为另一个实施例的纳米光场自旋-轨道相互作用测量系统的结构示意图；

图6为一个实施例中所述样品为超构表面器件中表面单元结构图；

图7为一个实施例中所述样品为超构表面器件的电镜照片；

图8为一个实施例的纳米光场自旋-轨道相互作用测量系统的实际结构示意图；

图9为一个实施例的旋性分辨检测原理图；

图10为一个实施例的纳米光场自旋-轨道相互作用测量系统的测量结果；

图11为一个实施例的纳米光场自旋-轨道相互作用测量系统的三维测量结果。

主要元件符号说明

自旋-轨道相互作用测量系统10

激光发生装置100

激光器110

整形单元120

探针外差干涉装置200

分光模块210

偏振分光器及反射镜211

差频生成装置220

第一移频器221

第一光阑222

第二移频器223

第二光阑224

测量光偏振控制装置230

起偏器231

四分之一波片或空间光调制器232

聚焦扫描装置240

聚焦元件241

扫描元件242

孔径型扫描近场光学显微镜装置250

扫描台251

扫描头252

光纤探针253

扫描近场光学显微镜控制器254

视频显微镜255

ccd摄像头参考光偏振补偿装置256

参考光偏振补偿装置260

电动半波片261

电动四分之一波片262

光纤准直耦合器263

光纤偏振控制器264

耦合装置270

非保偏的光纤耦合器271

数据接收处理装置300

光电探测器310

锁相放大器320

参考信号混频模块330

数据采集模块340

计算控制终端400

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参见图1，本实施例提供一种所述旋性分辨的探针外差干涉装置200包括：分光模块210、差频生成装置220、测量光偏振控制装置230、聚焦扫描装置240、孔径型扫描近场光学显微镜装置250、参考光偏振补偿装置260和耦合装置270。分光模块210单束激光经过所述分光模块210分为原测量光和原参考光。所述差频生成装置220对原测量光和原参考光进行频率调制，输出预定频率差的测量光和参考光。预定频率差可为δω。所述测量光偏振控制装置，设置在所述测量光的传输方向上。所述聚焦扫描装置240设置在所述测量光偏振控制装置230的参考光的输出方向上。所述测量光入射到所述测量光偏振控制装置230后对所述测量光的偏振态进行调整，再经过所述聚焦扫描装置240聚焦输出照明光。所述照明光激发样品产生纳米光场，所述孔径型扫描近场光学显微镜装置250在近场探测收集所述纳米光场并输出样品信息光。所述参考光偏振补偿装置260设置在所述参考光的传输方向上。所述参考光入射到所述参考光偏振补偿装置260输出偏振补偿光。所述样品信息光和所述偏振补偿光传输至所述耦合装置270发生干涉产生外差干涉光。

本发明提供的探针外差干涉装置具有旋性分辨，采用了正交偏振标定方法、旋性分辨检测方法以及探针外差干涉方法。实现了超衍射光学衍射极限的旋性分辨及相位分辨的近场测量。超衍射光学极限测量可以实现在介观尺度下的表征，旋性分辨测量可以实现对纳米光场自旋角动量的表征，相位分辨测量可以实现对纳米光场轨道角动量的表征，所以本发明可以最终在介观尺度实现近场直接测量样品中的光子自旋－轨道相互作用。

在一个实施例中，所述分光模块210包括偏振分光器及反射镜211，所述反射镜设置在所述偏振分光器的光出射方向上。

请参见图2，在一个实施例中，所述差频生成装置220包括：第一移频器221和第一光阑222，沿所述测量光的传播方向依次设置；第二移频器223和第二光阑224，沿所述参考光的传播方向依次设置。所述第一移频器221和所述第二移频器223为声光移频器或声光调制器。

请参见图3，在一个实施例中，所述测量光偏振控制装置230包括起偏器231、四分之一波片或空间光调制器232，沿所述测量光的传播方向依次设置。

其中，在一个实施例中，述聚焦扫描装置240包括聚焦元件241和扫描元件242。测量光经过所述聚焦元件241弱聚焦后，再经由所述扫描元件242照明样品并进行焦点扫描和样品对准。

所述聚焦元件241可以为低数值孔径物镜或长焦距透镜，能够在近似正入射的应用下实现对入射光的弱聚焦并维持其偏振态不变。所述扫描元件242包含反射镜及机械控制单元。所述扫描元件242可以是集成式的，也可以是分离式的。所述扫描元件242为集成式时，可以为将所述反射镜和所述机械控制集成在一起的扫描振镜。所述扫描元件242为分离式时，可以将所述机械控制单元与所述反射镜分离。可采用将聚焦元件241装载在二维电动位移台上再经过分离的反射镜的形式。所述聚焦扫描装置240能够实现百微米量程范围内聚焦照明焦点相对所述样品平面和光场平面的扫描调整，便于选择所述样品照明区域或纳米光场测量区域。

其中，在一个实施例中，所述孔径型扫描近场光学显微镜装置250包括扫描台251、扫描头252、光纤探针253、扫描近场光学显微镜控制器254、视频显微镜255和ccd摄像头256。所述扫描台251开设有穿过所述扫描台251的通光孔，用于放置样品。所述扫描头252与所述样品相对设置。所述光纤探针253与所述扫描头252联动设置并与所述耦合装置270连接。测量时所述扫描头252控制所述光纤探针253悬置于所述样品上方几纳米至几十纳米位置处，近场探测到的纳米光场经由所述光纤探针253的传导光纤传输至所述耦合装置270。所述扫描近场光学显微镜控制器254与所述扫描台251和所述扫描头252电连接，用于控制所述扫描台251和所述扫描头252移动。所述视频显微镜255与所述扫描台251搭载的样品相对设置。所述ccd摄像头256固定设置在所述视频显微镜255上。视频显微镜255和ccd摄像头256用于实时观察和监测测量视场。

所述扫描台251可以是基于步进电机的三维微米级扫描台、也可以是基于压电陶瓷的三维纳米级扫描台。所述扫描台251中心需要通光，实现透射照明模式(所述光纤探针253作为近场纳米光源)或透射收集模式(所述光纤探针253作为近场探测器)，以实现对所述样品的纳米光场的三维扫描测量。所述扫描头252可以是扫描近场光学显微镜的扫描头。所述扫描头252可以与所述扫描近场光学显微镜控制器254进行同步，以实现精确控制针尖-样品间距以及三维纳米级精度的头扫描功能。所述扫描头252可以实现剪切力模式或轻敲模式的纳米级针尖-样品间距控制。所述扫描头252可以装载多种类型的光纤探针253。所述光纤探针253可以是镀膜光纤孔径探针、裸光纤探针、纳米天线修饰的功能探针。所述光纤探针253为不镀膜的裸光纤探针或镀金属膜的孔径探针或为针尖粘附金属纳米微粒的功能探针或刻蚀螺旋线手性纳米结构的功能探针。所述光纤探针243的针尖尺度在十分之一波长量级。

其中，在一个实施例中，所述参考光偏振补偿装置260包括电动半波片261、电动四分之一波片262、光纤准直/耦合器263和光纤偏振控制器264，沿所述参考光的传输方向依次设置。所述电动半波片261和所述电动四分之一波片262可精确电动调控所述偏振补偿光的偏振态。所述光纤偏振控制器264通过对光纤施加应力产生双折射，调控参考光路传导光纤中光场模式的偏振态。所述光纤偏振控制器264为手动控制模式，可在所述探针外差干涉装置200稳定前静态快速调整偏振态。所述光纤准直耦合器263将空间光耦合进入所述光纤偏振控制器264。在一个实施例中，所述光纤准直耦合器263可以为低数值孔径物镜或渐变折射率透镜，用于将空间光耦合进入所述光纤偏振控制器的光纤。

所述电动半波片261和所述电动四分之一波片262由中空旋转电机驱动可控旋转角度，通过微调空间光中的参考光的偏振态来补偿所述探针外差干涉装置200的传导光纤中模式偏振态的变化。测量过程中，所述电动半波片261和所述电动四分之一波片262可以根据干涉信号的对比度通过反馈机制实时进行旋转调整和补偿偏振态变化，始终保持干涉信号处于最佳对比度。

其中，在一个实施例中，所述耦合装置270包括非保偏的光纤耦合器271。测量光路中的所述样信息光与参考光路中的所述偏振补偿光在所述非保偏的光纤耦合器271重合产生外差干涉光。

本发明还提供了一种纳米光场自旋-轨道相互作用测量方法，用于在介观尺度上实现对纳米光场自旋-轨道相互作用，包括：

通过参考光偏振补偿装置和耦合装置，采用旋性分辨检测方法，产生外差干涉光并获得选择的旋性或对旋性进行分辨；

采用探针外差干涉方法，获得超光学衍射极限成像及相位分辨的性能。

在一个实施例中，所述旋性分辨检测方法包括：

采用正交偏振标定方法获得圆偏振补偿光，所述圆偏振补偿光与样品信息光在所述耦合装置中发生干涉产生所述外差干涉光；

通过调整参考光偏振补偿装置控制和切换所述圆偏振补偿光的旋性，实现对所述样品的纳米光场的旋性分辨检测。

在一个实施例中，所述正交偏振标定方法包括：

采用标准左旋或右旋圆偏振的照明光入射至样品的非结构区域，调整所述参考光偏振补偿装置使所述耦合装置输出的外差干涉光达到消光状态，以得到右旋或左旋的圆偏振补偿光。

在一个实施例中，所述探针外差干涉方法包括：

光纤探针采集样品的纳米光场的近场高空间频率信息并传输至远场，以实现超光学衍射极限测量；

原参考光与原测量光通过差频发生装置，产生参考光与测量光具有预定频率差；

对所述外差干涉光解调可实现对所述光纤探针所在位置的纳米光场的相对相位测量。

请参见图4，本发明实施例提供一种纳米光场自旋-轨道相互作用测量系统10。所述纳米光场自旋-轨道相互作用测量系统10包括：激光发生装置100、探针外差干涉装置200和数据接收处理装置300。所述激光发生装置100用于输出原测量光和原参考光。所述探针外差干涉装置200设置在所述激光发生装置100光输出方向上。所述探针外差干涉装置200采用前述的探针外差干涉装置200。所述激光入射到所述旋性分辨的探针外差干涉装置200，用于发生干涉产生外差干涉光。所述数据接收处理装置300设置在所述外差干涉光的输出方向上，用于接收并解调所述外差干涉光。

请参见图5，在一个实施例中，所述激光发生装置100包括激光器110、整形单元120。激光器110输出相干性好的单纵模激光。单纵模激光经过整形单元120输出单纵模和单横模的激光。

在一个实施例中，所述激光器110为稳频单纵模激光器。所述稳频激光器可以为气体或固体激光器。在一个实施例中，所述整形单元120包括：扩束器件、整形器件、准直器件、滤光器件，所述扩束器件、所述整形器件、所述准直器件和所述滤光器件沿所述激光器110输出激光的传输方向依次设置。

在一个实施例中，所述数据接收处理装置300包括：光电探测器310、锁相放大器320、参考信号混频模块330和数据采集模块340。所述光电探测器310可以将来自所述光纤耦合器271的微弱光信号转为所述交流电信号并进行前置放大。所述光电探测器310可以是光电倍增管或雪崩二极管。所述锁相放大器320与所述光电探测器310电连接。所述参考信号混频模块330与所述锁相放大器320电连接。所述参考信号混频模块330为所述锁相放大器320为提供参考频率信号。所述锁相放大器320对所述交流电信号进行锁相和解调并输出锁相解调信号。所述数据采集模块340与所述锁相放大器320电连接，用于采集所述锁相解调信号。

在一个实施例中，所述纳米光场自旋-轨道相互作用测量系统10还可以包括计算控制终端400。所述计算控制终端400分别与所述孔径型扫描近场光学显微镜装置250和所述数据接收处理装置300电连接。所述计算控制终端400可以通过所述近场光学显微镜控制器254控制所述扫描头252进行所述光纤探针253的进针退针及三维扫描。所述数据采集模块340采集的所述锁相解调信号可以由所述计算控制终端400处理得到空间分布的相位、振幅和形貌的同步数据。

在一个实施例中，所述样品可以为超构表面(matesurface)器件。所述超构表面器件为基于几何相位的圆偏振敏感结构。通过设计所述超构表面器件的结构参数，可以使其实现光场自旋-涡旋转换、进而在圆偏振光照明下生成拓扑荷数为3的涡旋光场。

所述超构表面器件中的单元结构的设计参见图6。所述单元结构采用的是金纳米棒对的几何形式。所述几何形式可以提升所述单元结构设计的填充因子，从而增大超构表面器件的散射截面、提升所述超构表面器件的转换效率。将超构表面器件中各个所述单元结构的方向角按照如下规则进行排列，即可在圆偏振光照明下生成拓扑荷数为3的涡旋光场。

其中，单元方向角θ可单独调控相位，(xi,yi)为第i个单元的中心坐标，且满足p为超构表面器件的像元尺寸。图7为利用电子束刻蚀工艺加工出的超构表面器件的电镜照片。所述超构表面器件的大小为7μm×7μm。图5左上角插图为金纳米棒对的加工结构，其长度标尺为100nm。

图8是所述自旋-轨道相互作用测量系统10的旋性分辨检测原理图。在一个实施例中，使用左旋圆偏振的测量光照射所述超构表面器件后产生两种光场：左旋圆偏振的平面波和拓扑荷数为3的右旋涡旋光。所述左旋偏振光和所述右旋涡旋光再与圆偏振的参考光进行外差干涉，所以通过控制参考光的旋性可实现对所述左旋偏振光和所述右旋涡旋光的旋性分辨检测。当所述参考光为右旋圆偏振光时，右旋参考光与所述左旋偏振光正交，无法产生外差干涉；右旋参考光与所述右旋涡旋光产生外差干涉，进而可以利用所述自旋-轨道相互作用测量系统测量出近场右旋分量的复振幅分布，此时得到自旋-涡旋转换产生的6π涡旋相位分布。当所述参考光为左旋圆偏振光时，左旋参考光与所述右旋涡旋光正交，无法产生外差干涉；左旋参考光与所述左旋偏振光产生外差干涉，进而可以利用所述自旋-轨道相互作用测量系统10测量出近场左旋分量的复振幅分布，此时得到相位相同的平面波前分布。

在一个实施例中，所述自旋-轨道相互作用测量系统10实现旋性分辨检测的关键是采用正交偏振标定方法生成圆偏振补偿光。所述正交偏振标定方法，基于耦合装置270的外差干涉光强度调整所述参考光偏振补偿装置260，采用正交消光的方式使参考光为圆偏振光补偿光。调整所述测量光偏振控制装置230中的起偏器231和四分之一波片232，使所述测量光为左旋或右旋圆偏振光后，再入射至样品的非结构区域或透明空白区域，精细调整所述参考光偏振补偿装置260中的电动半波片261和电动四分之一波片262，使所述光纤耦合器271的外差干涉光达到消光，则生成右旋或左旋圆偏振补偿光。

下面以图9为例，说明所述自旋-轨道相互作用测量系统10的工作过程。所述激光器110发射激光入射到所述整形单元120。所述整形单元120对激光进行整形后入射到所述偏振分光器及反射镜211分为测量光路和参考光路两束激光。测量光路激光依次入射到所述第一频移器221、所述第一光阑222、所述起偏器231、所述四分之一波片232。所述起偏器231和所述四分之一波片232根据应用情况调整测量光的偏振态，然后经过所述聚焦元件241进行弱聚焦后再入射到所述扫描元件242，通过所述扫描台251的通光孔照明所述样品并进行焦点扫描和样品对准。这里，所述样品为超构表面器件。而所述视频显微镜255和所述ccd摄像头256实时观察和监测测量视场，并将观测数据传输给所述计算控制终端400。所述计算机控制终端400为计算机。计算机给所述扫描近场光学显微镜控制器254下达指令控制所述扫描头252三维纳米级精度移动。随着所述扫描头252移动，所述光纤探针253针尖探测样品的近场纳米光场，经所述光纤探针253的光纤传输获得样品信息光。所述光纤探针253为孔径型探针具有很好的圆对称性，因此对于近场测量到的圆偏振光具有旋性保持能力。同时，参考光路激光依次经过所述第二频移器223、所述第二光阑224、所述电动半波片261、所述电动四分之一波片262、所述光纤准直/耦合器263和所述光纤偏振控制器264获得偏振补偿光。采用所述正交偏振标定方法，精细调整所述电动半波片261和所述电动四分之一波片262可以获得左旋或右旋的圆偏振补偿光，用于实现近场的旋性分辨检测。最后，近场信息光与特定旋性的所述圆偏振补偿光在所述光纤耦合器271产生外差干涉光。所述外差干涉光入射到所述光电探测器310后输出交流电信号。所述参考信号混频模块330为所述锁相放大器320提供参考频率信号，并对所述交流电信号进行锁相解调为锁相解调信号。所述数据采集模块340采集锁相解调信号由所述计算机400处理得到近场三维空间分布的相位、振幅和形貌的同步数据。

如图10所示，本发明提出的自旋-轨道相互作用测量系统10可实现旋性分辨和相位分辨的近场测量。基于正交偏振标定方法，即使所述超构表面器件的转换效率很低的情况下，仍能获得高信噪比和对比度的测量结果。光纤探针在所述超构表面器件的近场进行二维扫描测量，通过控制参考光路中所述圆偏振补偿光的旋性，可以逐点获得纳米光场的特定旋性分量的振幅和相位近场分布数据，进而获得超构表面器件中光子自旋-轨道相互作用所产生的几何相位分布。

如图11所示，采用本发明提出的自旋-轨道相互作用测量系统10可实现旋性分辨和相位分辨的近场三维层析测量。通过纳米级精度精确控制所述光纤探针253与所述样品之间的距离，可实现沿着光轴方向的三维空间截面测量功能，实时逐点地获得近场纳米光场的三维振幅和相位分布信息，进而同时获得超构表面器件中光子自旋-轨道相互作用产生的几何相位分布以及光场传播得到的旋转变化的动态相位分布。

本发明也适合测量和表征其他类型的透射式超构表面器件。如针对超构表面结构器件，本发明可以扩展至其他所有基于几何相位调制的圆偏振敏感的超构表面结构。超构表面结构器件单元几何结构设计可以包含纳米棒、纳米星、纳米盘聚合体等。器件材料可以包含金、银、铝等金属材料，也可以包含硅、二氧化钛等较高折射率的介质材料。器件功能可以包含涡旋光生成及转化、光子自旋-霍尔效应器件、全息复用等。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，随其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。