一种光场自旋角动量测量装置及方法与流程

本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种光场自旋角动量测量装置及方法。

背景技术：

角动量在光与物质相互作用中扮演着重要角色，其通常可以分为自旋角动量和轨道角动量。其中自旋角动量取决于光场偏振态，例如左旋圆偏光和右旋圆偏光具有不同的自旋角动量；轨道角动量与光场的特定空间相位分布有关，例如含有螺旋相位因子的的涡旋光场。通常在自由空间中光场的自旋角动量和轨道角动量被认为是两个相互独立的自由度，但是在表面等离子体光子学、纳米结构光学等非齐次空间光场中，这两种角动量之间存在非常强的自旋-轨道耦合作用。因此在任何纳米光学系统和器件中都需要考虑自旋-轨道耦合作用，这种耦合作用在量子自旋霍尔效应、光场操控、计量学、手性检测、单向性传输、拓扑光子学等领域具有重要影响。

为了研究光场的自旋-轨道耦合作用，需要测量光场的自旋角动量。按照自旋方向可以将自旋角动量分为自旋方向与光的传播方向平行的纵向自旋、自旋方向与光的传播方向垂直的横向自旋。目前用于测量光场自旋角动量的方法主要有以下几种：一、利用米散射纳米干涉的重构算法，测量纳米球颗粒的散射光和入射光在不同角度的干涉信号得到角谱分布，然后进行重构和计算得到光场的幅度和相位，最终算出其自旋角动量的空间分布，这种方法能够获得完整的光场信息，但是需要复杂的测量和计算过程；二、一种直接测量光场的动力学特性方法是利用光机械，通过测量米散射颗粒在光场中的受力和力矩来获得光场的自旋角动量分布信息，这种测量方法实验难度较高且只能获得几个特定方向的动量和角动量；三、测量紧聚焦矢量光场中纳米颗粒散射光的不同方向的光强分布，最终得到光场的横向自旋角动量分布。这些测量光场自旋角动量的方法基本都涉及到复杂的重构计算并且实验难度较高。因此，设计一种简洁的测量光场自旋角动量的方法显得尤为重要。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述问题，提出了一种光场自旋角动量测量装置及方法。

第一方面，本发明提供了一种光场自旋角动量测量装置，包括：

信号收集单元，用于接收待测光场的光线，根据所述光线进行搜集，得到光场的横向分量；

自旋检测单元，用于根据所述光场的横向分量进行提取，得到左旋偏振分量、右旋偏振分量；

光电转换单元，用于根据所述左旋偏振分量进行转换得到与左旋偏振分量对应的电压信号，根据所述右旋偏振分量进行转换得到与右旋偏振分量对应的电压信号；

数据采集单元，用于根据所述左旋偏振分量对应的电压信号进行转换得到与左旋偏振分量对应的数字信号，根据所述右旋偏振分量对应的电压信号进行转换得到与右旋偏振分量对应的数字信号；

自旋角动量计算模块，用于根据所述左旋偏振分量对应的数字信号、右旋偏振分量对应的数字信号进行计算，得到光场自旋角动量。

在一个实施例中，所述自旋检测单元包括四分之一波片、分束器、第一检偏器、第二检偏器；

所述四分之一波片用于接收所述光场的横向分量并且进行折射，得到折射后的光场的横向分量；

所述分束器用于接收所述折射后的光场的横向分量，将所述折射后的光场的横向分量分成两束信号；

所述第一检偏器接收所述分束器分出的其中一束信号并进行检偏，得到所述右旋偏振分量；

所述第二检偏器接收所述分束器分出的另外一束信号并进行检偏，得到所述左旋偏振分量；

其中，所述第一检偏器的检偏方向与所述四分之一波片的快轴方向夹角为正45°，所述第二检偏器的检偏方向与所述四分之一波片的快轴方向夹角为负45°。

在一个实施例中，所述光电转换单元包括第一正透镜、第一耦合器、第一光纤、第一光电倍增管、第二正透镜、第二耦合器、第二光纤、第二光电倍增管；

所述第一正透镜用于接收所述自旋检测单元提取的右旋偏振分量并且进行聚焦，得到聚焦后的右旋偏振分量；

所述第一耦合器用于将所述聚焦后的右旋偏振分量进行耦合后进入所述第一光纤；

所述第一光电倍增管用于把所述第一光纤传输的所述聚焦后的右旋偏振分量进行转换，得到与右旋偏振分量对应的电压信号；

所述第二正透镜用于接收所述自旋检测单元提取的左旋偏振分量并且进行聚焦，得到聚焦后的左旋偏振分量；

所述第二耦合器用于将所述聚焦后的左旋偏振分量进行耦合后进入所述第二光纤；

所述第二光电倍增管用于把所述第二光纤传输的所述聚焦后的左旋偏振分量进行转换，得到与左旋偏振分量对应的电压信号。

在一个实施例中，所述第一耦合器位于所述第一正透镜的焦点，所述第二耦合器位于所述第二正透镜的焦点。

在一个实施例中，所述自旋角动量计算模块通过把所述右旋偏振分量对应的数字信号减去左旋偏振分量对应的数字信号得到分量差值，再根据所述分量差值进行计算得到光场自旋角动量。

在一个实施例中，所述待测光场位于所述信号收集单元的焦点。

在一个实施例中，所述光场自旋角动量测量装置还包括：

xy坐标提取单元，用于确定所述信号收集单元搜集光场的横向分量的点的x轴坐标值、y轴坐标值；

图像绘制模块，用于获取预设的颜色规则，根据所述预设的颜色规则、所述信号收集单元搜集横向分量的点对应的光场自旋角动量、x轴坐标值、y轴坐标值绘制二维彩色光场自旋角动量分布图。

在一个实施例中，所述信号收集单元包括物镜，所述物镜的放大倍数60x，所述物镜的数值孔径为0.7。

第二方面，本发明还提供了一种光场自旋角动量测量方法，应用于光场自旋角动量测量装置，所述光场自旋角动量测量装置包括信号收集单元、自旋检测单元、光电转换单元、数据采集单元、自旋角动量计算模块，所述方法包括：

信号收集单元接收待测光场的光线，根据所述光线进行搜集，得到光场的横向分量；

自旋检测单元根据所述光场的横向分量进行提取，得到左旋偏振分量、右旋偏振分量；

光电转换单元根据所述左旋偏振分量进行转换得到与左旋偏振分量对应的电压信号，根据所述右旋偏振分量进行转换得到与右旋偏振分量对应的电压信号；

数据采集单元根据所述左旋偏振分量对应的电压信号进行转换得到与左旋偏振分量对应的数字信号，根据所述右旋偏振分量对应的电压信号进行转换得到与右旋偏振分量对应的数字信号；

自旋角动量计算模块根据所述左旋偏振分量对应的数字信号、右旋偏振分量对应的数字信号进行计算，得到光场自旋角动量。

在一个实施例中，所述根据所述左旋偏振分量对应的数字信号、右旋偏振分量对应的数字信号进行计算，得到光场自旋角动量，具体包括：

把所述右旋偏振分量对应的数字信号减去左旋偏振分量对应的数字信号得到分量差值；

根据所述分量差值进行计算得到光场自旋角动量。

综上所述，本发明的一种光场自旋角动量测量装置通过信号收集单元进行搜集得到光场的横向分量，自旋检测单元通过提取得到左旋偏振分量、右旋偏振分量，光电转换单元通过转换得到与左旋偏振分量对应的电压信号、与右旋偏振分量对应的电压信号，数据采集单元通过转换得到与左旋偏振分量对应的数字信号、与右旋偏振分量对应的数字信号，自旋角动量计算模块根据所述左旋偏振分量对应的数字信号、右旋偏振分量对应的数字信号进行计算，得到光场自旋角动量。本发明通过左旋偏振分量、右旋偏振分量的提取和转换，再计算得到光场自旋角动量，提取方法简单，避免了复杂的测量和计算过程，提高了光场自旋角动量的计算效率。

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，对于本领域普通技术人员来讲，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。

其中：

图1为一个实施例中光场自旋角动量测量装置的结构框图；

图2为图1的光场自旋角动量测量装置的详细结构框图；

图3为一个实施例中光场自旋角动量测量方法的流程图；

图4为一个实施例中光场自旋角动量测量方法的计算光场自旋角动量的流程图；

图5为一个实施例中绘制二维彩色光场自旋角动量分布图的流程图。

具体实施方式

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作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。

如图1和图2所示，在一个实施例中，提供了一种光场自旋角动量测量装置，包括：

信号收集单元10，用于接收待测光场的光线，根据所述光线进行搜集，得到光场的横向分量；

自旋检测单元20，用于根据所述光场的横向分量进行提取，得到左旋偏振分量、右旋偏振分量；

光电转换单元30，用于根据所述左旋偏振分量进行转换得到与左旋偏振分量对应的电压信号，根据所述右旋偏振分量进行转换得到与右旋偏振分量对应的电压信号；

数据采集单元40，用于根据所述左旋偏振分量对应的电压信号进行转换得到与左旋偏振分量对应的数字信号，根据所述右旋偏振分量对应的电压信号进行转换得到与右旋偏振分量对应的数字信号；

自旋角动量计算模块50，用于根据所述左旋偏振分量对应的数字信号、右旋偏振分量对应的数字信号进行计算，得到光场自旋角动量。

本实施例的装置通过左旋偏振分量、右旋偏振分量的提取和转换，再计算得到光场自旋角动量，提取方法简单，避免了复杂的测量和计算过程，提高了光场自旋角动量的计算效率。

计算机设备的存储器中可存储组成自旋角动量计算模块50的程序模板，该程序模板执行时根据所述左旋偏振分量对应的数字信号、右旋偏振分量对应的数字信号进行计算，得到光场自旋角动量。

所述光场是指光在每一个方向通过每一个点的光量，光场描述的是自由空间中某一点沿着一定方向的光线辐射度值，该空间所有的有向光线集就构成光场数据库，这里所描述的光线是一个矢量。

所述光场的横向分量是指光场中垂直于传播方向的分量。

所述左旋偏振分量是指左旋圆偏振分量，所述右旋偏振分量是指右旋圆偏振分量。

角动量在光与物质相互作用中扮演着重要角色，其通常可以分为自旋角动量和轨道角动量；所述自旋角动量取决于光场偏振态，例如左旋圆偏光和右旋圆偏光具有不同的自旋角动量；轨道角动量与光场的特定空间相位分布有关，例如含有螺旋相位因子的的涡旋光场。

在一个实施例中，所述自旋检测单元20包括四分之一波片201、分束器202、第一检偏器203、第二检偏器204；

所述四分之一波片201用于接收所述光场的横向分量并且进行折射，得到折射后的光场的横向分量；

所述分束器202用于接收所述折射后的光场的横向分量，将所述折射后的光场的横向分量分成两束信号；

所述第一检偏器203接收所述分束器202分出的其中一束信号并进行检偏，得到所述右旋偏振分量；

所述第二检偏器204接收所述分束器202分出的另外一束信号并进行检偏，得到所述左旋偏振分量；

其中，所述第一检偏器203的检偏方向与所述四分之一波片201的快轴方向夹角为正45°，所述第二检偏器204的检偏方向与所述四分之一波片201的快轴方向夹角为负45°。

所述四分之一波片201又叫1/4波片，一定厚度的双折射单晶薄片，当光法向入射透过时，寻常光(o光)和非常光(e光)之间的位相差等于π/2或其奇数倍；当线偏振光垂直入射1/4波片,并且光的偏振和云母的光轴面(垂直自然裂开面)成45°角，出射后成圆偏振光，可以从现有技术中选择，在此不作具体限定。

所述分束器202是可将一束光分成两束光或多束光的光学装置，它是大多数干涉仪的关键部分，通常是由金属膜或介质膜构成，可以从现有技术中选择，在此不作具体限定。

第一检偏器203、第二检偏器204又叫偏振片，主要作用是把入射光变成线偏振光出射，可以从现有技术中选择，在此不作具体限定。

在一个实施例中，所述光电转换单元30包括第一正透镜301、第一耦合器302、第一光纤、第一光电倍增管303、第二正透镜304、第二耦合器305、第二光纤、第二光电倍增管306；

所述第一正透镜301用于接收所述自旋检测单元20提取的右旋偏振分量并且进行聚焦，得到聚焦后的右旋偏振分量；

所述第一耦合器302用于将所述聚焦后的右旋偏振分量进行耦合后进入所述第一光纤；

所述第一光电倍增管303用于把所述第一光纤传输的所述聚焦后的右旋偏振分量进行转换，得到与右旋偏振分量对应的电压信号；

所述第二正透镜304用于接收所述自旋检测单元20提取的左旋偏振分量并且进行聚焦，得到聚焦后的左旋偏振分量；

所述第二耦合器305用于将所述聚焦后的左旋偏振分量进行耦合后进入所述第二光纤；

所述第二光电倍增管306用于把所述第二光纤传输的所述聚焦后的左旋偏振分量进行转换，得到与左旋偏振分量对应的电压信号。

所述第一正透镜301、第二正透镜304是指中间厚、周边薄的一种透镜，具有会聚光的能力，可以从现有技术中选择，在此不作具体限定。

所述第一耦合器302、第二耦合器305可以从现有技术中选择光纤耦合器，本发明中用于实现光信号耦合，可以从现有技术中选择，在此不作具体限定。

所述第一光纤、第二光纤是指光导纤维，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具，可以从现有技术中选择，在此不作具体限定。

所述第一光电倍增管303、第二光电倍增管306是指将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件，可以从现有技术中选择，在此不作具体限定。

通过第一正透镜301与第一光纤过滤掉背景光和杂散光，从而提高了右旋偏振分量对应的电压信号的准确性；通过第二正透镜304与第二光纤过滤掉背景光和杂散光，从而提高了左旋偏振分量对应的电压信号的准确性。

在一个实施例中，所述第一耦合器302位于所述第一正透镜301的焦点，所述第二耦合器305位于所述第二正透镜304的焦点。可以理解的是，所述第一耦合器302调控的第一光纤的接收端口位于所述第一正透镜301的焦点，所述第二耦合器305调控的第二光纤的接收端口位于所述第二正透镜304的焦点。正透镜的焦点处背景光最弱，光信号最强，从而提升了耦合进入第一光纤、第二光纤的光信号，提高了计算光场自旋角动量的准确性。

在一个实施例中，所述自旋角动量计算模块50通过把所述右旋偏振分量对应的数字信号减去左旋偏振分量对应的数字信号得到分量差值，再根据所述分量差值进行计算得到光场自旋角动量。具体而言，根据所述右旋偏振分量对应的数字信号提取出右旋偏振分量强度，根据所述左旋偏振分量对应的数字信号提取出左旋偏振分量强度，通过把所述右旋偏振分量强度减去左旋偏振分量强度得到分量强度差值，再根据所述分量差值进行计算得到光场自旋角动量。

纵向自旋角动量和圆偏振光强度的关系式为：

其中，sz纵向自旋角动量，ω是电磁场的角频率，ε是介电常数，k是纵向波矢，kr是横向波矢，ircp是右旋偏振分量强度，ilcp是左旋偏振分量强度。

右旋偏振分量强度是指右旋偏振分量的光强，左旋偏振分量强度是指左旋偏振分量的光强。

ω、ε、k、kr是物理常量。因此，通过提取和转换出右旋偏振分量强度、左旋偏振分量强度，再代入纵向自旋角动量和圆偏振光强度的关系式计算，即可得到纵向自旋角动量，所述纵向自旋角动量即为本发明计算的光场自旋角动量。

在一个实施例中，所述待测光场位于所述信号收集单元10的焦点。从而使信号收集单元10尽可能搜集待测光场中的光场的横向分量，从而提高了计算光场自旋角动量的准确性。

在一个实施例中，所述光场自旋角动量测量装置还包括：

xy坐标提取单元60，用于确定所述信号收集单元10搜集光场的横向分量的点的x轴坐标值、y轴坐标值；

图像绘制模块70，用于获取预设的颜色规则，根据所述预设的颜色规则、所述信号收集单元10搜集横向分量的点对应的光场自旋角动量、x轴坐标值、y轴坐标值绘制二维彩色光场自旋角动量分布图。

工作原理包括：所述信号收集单元10逐点扫描光场搜集光场的横向分量，xy坐标提取单元60记录下每个点对应的x轴坐标值、y轴坐标值，图像绘制模块70获取自旋角动量计算模块50计算的光场自旋角动量，根据预设的颜色规则进行换算得到每个点对应的颜色值，然后根据每个点对应的光场自旋角动量、x轴坐标值、y轴坐标值在二维坐标图表下绘制彩色点，图像绘制模块70通过该绘制方法进行逐点绘制，得到二维彩色光场自旋角动量分布图。通过二维彩色光场自旋角动量分布图有利于直观快速的了解光场的自旋角动量分布。

所述预设的颜色规则是自定义的光场自旋角动量与颜色值之间的关系，比如，光场自旋角动量1对应rgb值为(255,255,255)，光场自旋角动量0对应rgb值为((0,0,0)，在此举例不作具体限定。

在一个实施例中，所述xy坐标提取单元60包括二维电动位移台，二维电动位移台可以从现有技术中选择，在此举例不作具体限定。所述信号收集单元10安装在所述二维电动位移台上以用于使所述二维电动位移台带动所述信号收集单元10运动，或者所述待测光场放在所述二维电动位移台上以用于使所述二维电动位移台带动所述待测光场运动。

在一个实施例中，所述信号收集单元包括物镜，所述物镜的放大倍数60x，所述物镜的数值孔径为0.7。可以理解的是，物镜还可以采用其他放大倍数、数值孔径，在此举例不作具体限定。

在一个实施例中，所述数据采集单元40包括数据采集卡、数据采集模块、计算机设备，所述数据采集卡安装在所述计算机设备上，计算机设备的存储器中可存储组成数据采集模块的程序模板。数据采集模块通过把数据采集卡接收到的所述左旋偏振分量对应的电压信号进行转换得到与左旋偏振分量对应的数字信号，把数据采集卡接收到的所述右旋偏振分量对应的电压信号进行转换得到与右旋偏振分量对应的数字信号。

所述数据采集卡是指实现数据采集功能的计算机扩展卡，对设备被测的模拟或数字信号，自动采集并送到上位机中进行分析、处理。

如图3所述，在一个实施例中，提供了一种光场自旋角动量测量方法，应用于光场自旋角动量测量装置，所述光场自旋角动量测量装置包括信号收集单元、自旋检测单元、光电转换单元、数据采集单元、自旋角动量计算模块，所述方法包括：

s312、信号收集单元接收待测光场的光线，根据所述光线进行搜集，得到光场的横向分量；

s314、自旋检测单元根据所述光场的横向分量进行提取，得到左旋偏振分量、右旋偏振分量；

s316、光电转换单元根据所述左旋偏振分量进行转换得到与左旋偏振分量对应的电压信号，根据所述右旋偏振分量进行转换得到与右旋偏振分量对应的电压信号；

s318、数据采集单元根据所述左旋偏振分量对应的电压信号进行转换得到与左旋偏振分量对应的数字信号，根据所述右旋偏振分量对应的电压信号进行转换得到与右旋偏振分量对应的数字信号；

s320、自旋角动量计算模块根据所述左旋偏振分量对应的数字信号、右旋偏振分量对应的数字信号进行计算，得到光场自旋角动量。

本实施例的方法通过左旋偏振分量、右旋偏振分量的提取和转换，再计算得到光场自旋角动量，提取方法简单，避免了复杂的测量和计算过程，提高了光场自旋角动量的计算效率。

如图4所述，在一个实施例中，所述根据所述左旋偏振分量对应的数字信号、右旋偏振分量对应的数字信号进行计算，得到光场自旋角动量，具体包括：

s412、把所述右旋偏振分量对应的数字信号减去左旋偏振分量对应的数字信号得到分量差值；

s414、根据所述分量差值进行计算得到光场自旋角动量。

如图5所述，在一个实施例中，所述自旋角动量计算模块根据所述左旋偏振分量对应的数字信号、右旋偏振分量对应的数字信号进行计算，得到光场自旋角动量之后，还包括：

s512、信号收集单元接收待测光场的光线，信号收集单元根据所述光线进行搜集，得到光场的横向分量；

s514、自旋检测单元根据所述光场的横向分量进行提取，得到左旋偏振分量、右旋偏振分量；

s516、光电转换单元根据所述左旋偏振分量进行转换得到与左旋偏振分量对应的电压信号，根据所述右旋偏振分量进行转换得到与右旋偏振分量对应的电压信号；

s518、数据采集单元根据所述左旋偏振分量对应的电压信号进行转换得到与左旋偏振分量对应的数字信号，根据所述右旋偏振分量对应的电压信号进行转换得到与右旋偏振分量对应的数字信号；

s520、自旋角动量计算模块根据所述左旋偏振分量对应的数字信号、右旋偏振分量对应的数字信号进行计算，得到光场自旋角动量。

s522、根据xy坐标提取单元确定所述信号收集单元搜集光场的横向分量的点的x轴坐标值、y轴坐标值；

s524、图像绘制模块获取预设的颜色规则，根据所述预设的颜色规则、所述信号收集单元搜集横向分量的点对应的光场自旋角动量、x轴坐标值、y轴坐标值绘制二维彩色光场自旋角动量分布图。

需要说明的是，上述一种光场自旋角动量测量装置、一种光场自旋角动量测量方法属于一个总的发明构思，一种光场自旋角动量测量装置、一种光场自旋角动量测量方法实施例中的内容可相互适用。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

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