基于涡旋光和金属包覆波导的二次古斯汉欣位移产生装置的制作方法

本发明涉及一种基于涡旋光和金属包覆波导的二次古斯汉欣位移产生装置，属于光学量测技术领域。

背景技术：

牛顿的几何光学预言了光在反射和折射过程中，反射光束和折射光束始于入射光与介质界面的交点；即反射光和折射光在几何光学框架下，相对于入射光无位移。但是基于波动光学原理，反射光和折射光都会相对于入射光产生一个纵向位移，这一效应被称为古斯汉欣位移效应。通常情况下，这种位移及其微小，仅在波长量级，很难被直接使用用度量学、传感检测等领域。

上海交通大学曹庄琪教授研究团队提出双面金属包覆波导可以增强古斯汉欣位移效应，通过导模的激发，使入射光能量在波导内传输一段时间后，再耦合出波导。导模泄露的能量与直接反射或透射的光能相互干涉，这种干涉效应会导致反射光和透射光产生比较大的古斯汉欣位移。

普通的高斯光束在耦合导模的过程中，一个共振吸收峰仅仅对应一次古斯汉欣位移增强效应。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于涡旋光和金属包覆波导的二次古斯汉欣位移产生装置，能够产生亚毫米尺度的古斯汉欣位移增强效应，通过ccd可以直接进行观察。

本发明所采用的技术方案是：

基于涡旋光和金属包覆波导的二次古斯汉欣位移产生装置，包括：

用于产生激光的激光器；

用于将激光光束转变为高斯光束的准直系统；

用于将激光光束转变为涡旋光束的相位板；

用于将涡旋光束转变为线偏光的偏振棱镜；

用于放置双面金属包覆波导片的倍角转台；所述线偏光作为入射光入射在双面金属包覆波导片上；

用于检测双面金属包覆波导片表面反射率的光电探测器；

以及，

用于监测透射光斑位移和形变的ccd。

进一步的，所述倍角转台由电脑控制，用于控制线偏光入射在双面金属包覆波导片上的入射角。

进一步的，所述光电探测器安装于倍角转台的正上方。

进一步的，所述相位板为拓扑荷数为1的相位板。

进一步的，所述激光光束经拓扑荷数为1的相位板变为涡旋光束，由此转变的线偏光入射到双面金属包覆波导片上，在一个共振周期内，出现一次完整的古斯汉欣位移效应；

古斯汉欣位移效应的演变过程中，以光强最高点作为光束的位置，随着入射角的增大，光强最高点在透射光斑的右侧出现，逐渐向左移动，最后消失在透射光斑的左侧。

进一步的，所述相位板为拓扑荷数为2的相位板。

进一步的，所述激光光束经拓扑荷数为2的相位板变为涡旋光束，由此转变的线偏光入射到双面金属包覆波导片上，在一个共振周期内，出现两次完整的古斯汉欣位移效应；

两次古斯汉欣位移效应的演变过程中，

光强最高点从透射光斑的右侧出现，随着入射角的增大，光强最高点逐渐向左移动，最后消失在透射光斑左侧；

当左侧的透射光斑还没有完全消失时，右侧又开始出现新的光强最高点，再逐渐向左移动，最后消失在透射光斑左侧。

进一步的，所述透射光斑为环状结构，由几个光环组成，所述透射光斑在整个古斯汉欣位移效应的演变过程中，没有发生形变。

进一步的，所述古斯汉欣位移为亚毫米尺度的位移，能够通过ccd观测到。

本发明所达到的有益效果：

本发明采用拓扑荷数为2的涡旋光束照射在双面金属包覆波导上，在一个共振周期内，出现了两次古斯汉欣位移效应，在传感检测，光通信，精密度量学等领域有比较重要的应用价值。

本发明设计产生古斯汉欣位移增强效应，使得亚毫米尺度的位移可以直接用ccd进行观察光斑的变化。

附图说明

图1是本发明的基于涡旋光和金属包覆波导的二次古斯汉欣位移产生装置结构图；

图2是高斯光束的古斯汉欣位移效果，图2（a）为未产生位移的反射光斑；图2（b）为光斑开始拉长；图2（c）为光斑出现m线；图2（d）为光斑达到共振区域；

图3是本发明装置拓扑荷数为1的涡旋光的透射光的古斯汉欣位移效应；

图4是本发明实验所得的涡旋光的透射率光谱；

图5是本发明装置拓扑荷数为2的涡旋光的透射光的古斯汉欣位移效应。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明提供一种利用涡旋光来激发古斯汉欣位移效应的装置，参见图1，包括设备：

用于产生激光的激光器；

用于将激光束转变为高斯光束的准直系统；

用于将激光光束转变为涡旋光束的相位板；

用于将涡旋光束转变为线偏光的偏振棱镜；所述线偏光作为入射光入射在双面金属包覆波导片上；

用于放置双面金属包覆波导片的倍角转台；

用于检测波导表面反射率的光电探测器；

以及，

用于监测透射光斑位移和形变的ccd。

本实验装置由于透射光与入射光平行，且倍角转台旋转的角度小于1度，故可以忽略由于波导片转动导致的整个光斑的平移。

进一步的，优选能产生红外波段的激光器。

进一步的，所产生的涡旋光束的拓扑荷数由相位板所决定，实验中选取拓扑荷数为1和2的两种相位板。

进一步的，倍角转台由电脑控制，可以精确控制入射角。入射角就是激光光束与波导片法线方向的夹角，这个角度的改变不改变光路。

进一步的，光电探测器安装于倍角转台的正上方。

进一步的，采用涡旋光束来激发双面金属包覆波导的超高阶导模，产生古斯汉欣位移增强效应，使得亚毫米尺度的位移可以直接用ccd进行观察光斑的变化。

进一步的，本申请产生的古斯汉欣位移增强效应与高斯光束产生古斯汉欣位移效应不同，参见图2高斯光束产生古斯汉欣位移效应，图2（a）还没有产生位移的反射光斑，基本还是高斯光，图2（b）光斑开始拉长，图2（c）光斑开始出现m线，即光斑中心出现暗线，图2（d）到达共振区域，光强变弱，考察光斑峰值也产生微弱位移。

而涡旋光束产生古斯汉欣位移增强效应特点是，产生一个若干圆环构成的光斑，而在共振峰附近，可以看到这个光场最强点，在这个光斑内部从一侧到另一侧不断的移动。定义光束的位置，无论是根据光束的重心定义，还是根据光束的峰值定义，涡旋光的位移都远远大于高斯光。

图3所示为拓扑荷数为1的涡旋光束经过双面金属包覆波导的透射光所产生的古斯汉欣位移，图中连线将不同入射角的反射率与此时的透射光斑的图样联系起来。

图3中间的曲线是由光电探测器所检测的波导表面反射率的变化曲线，图中的插图为透射光斑，各个透射光斑图样对应反射率曲线上与之相连的位置。

选取某一个共振吸收峰，其半宽约为0.3度。图3表现了以下几个现象：

a、当反射率比较大时，此时不满足波导导模的耦合条件，因此光能无法进入波导，也不能穿过波导形成透射光，此时透射光的光强比较弱；当反射率比较小时，此时入射光能耦合进波导，透射光强也相应增大，越接近共振峰底部，透射光强度越大。

共振吸收峰解释如下：

参见图4为涡旋光的透射率的光谱，横坐标是入射角度，通过固定激光光路，旋转波导片来实现入射角度的改变。透射峰表现出振荡的规律，一个最低点对应一个导模的激发。导模的激发，就是激光的能量都耦合到波导的内部，从而使得反射和透射都出现共振吸收峰。

b、与普通高斯光束不同，涡旋光束的透射光的光斑成环状结构，由几个光环组成，并且在整个古斯汉欣位移效应的演变过程中，光斑没有发生形变。

c、如果以光强最高点作为光束的位置，可以看到在导模耦合的整个演化过程中，随着入射角的增大，光强的最高点从光斑的右侧出现，逐渐向左移动，最后消失在光斑的左侧。在整个演化过程中，正负古斯汉欣位移均有出现。

图5所示为拓扑荷数为2的涡旋光束经过双面金属包覆波导的透射光所产生的古斯汉欣位移，图5中序号所标注的光斑与反射率曲线上的序号一一对应。

图5中间的曲线是由光电探测器所检测的波导表面反射率的变化曲线，和拓扑荷数为1的涡旋光束相比，拓扑荷数为2的涡旋光束表现出以下主要不同点：

透射光斑1-5，表明在反射率曲线的峰值位置，出现了一次古斯汉欣位移效应，其中光强的最高点从光斑的右侧出现，随着入射角的增大，最强点逐渐向左移动，最后消失在光斑左侧。透射光斑6-10，出现了第二次古斯汉欣位移效应，这是拓扑荷数为1的光束所不具备的。第二次古斯汉欣位移效应出现在反射率峰值位置，这也是以前高斯光束所不能观察到的。透射光斑6中可以看到当左侧的光斑还没有完全消失，右侧又开始出现新的光强最高点了。透射光斑7和8位于反射率最高点，整个光斑强度很弱，但是依旧可以分辨出在光斑的中部出现了亮斑，就像透射光斑3一样。透射光斑9和10表明整个亮斑向左移动。因此透射光斑6-10是另外一次完整的古斯汉欣位移效应。即在一个共振周期内，出现了两次古斯汉欣位移效应。

共振周期，就是在反射率或者透射率曲线中一个完整的峰值，从高点经过低点再回到高点，这个在实验中很容易根据反射率的测量得到，本发明中通过透射光来测试位移，通过反射光来监视超高阶导模的耦合周期。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。