一种光束在聚焦点处的偏振态空间分布测量方法及装置

摘要

本案公开了一种光束在聚焦点处的偏振态空间分布测量方法，包括：1)将入射光束通过扫描振镜反射到物镜，然后透过物镜会聚至物镜焦点处；2)将标准检测样品放置在物镜的焦平面上，让通过物镜会聚的光照射在标准检测样品上，标准检测样品上设置有长轴沿x，y和z三维方向放置的三个金纳米棒；其中，扫描振镜通过移动改变入射光束的反射路径，使得反射光遍历标准检测样品的所有位置；3)标准检测样品反向散射回的光线穿回所述物镜，再由光探测器接收，以形成标准检测样品的光学图像，所述光学图像分别代表焦点处光束在x、y、z三个方向的偏振态分量，由所述三个分量的相对强度分布确定物镜的聚焦点处的偏振态空间分布。

说明书

技术领域

本发明涉及一种矢量光束性质的测量方法，特别涉及一种光束在聚焦点 处的偏振态空间分布测量方法及装置。

背景技术

利用基于位相和偏振调制的矢量光场动态调控，在光束整形、光学微操 纵、表面等离激元激发与电磁场增强等方面有重要应用，并可应用在全光调 控、量子通信、传感与成像等领域。在调控的过程中，矢量光束性质的测量 是必不可少的环节，包括振幅、相位、偏振态等。其中，偏振态的常规检测 方法是利用偏振片作为起偏器和检偏器配合，检测垂直于光束传播方向的平 面内偏振分量。但对于径向偏振、角向偏振等矢量光束，以及矢量光束聚焦 焦点处，其偏振态较复杂，不仅局限于垂直传播方向的平面内，利用偏振片 检查不能满足要求。

根据散射理论和表面等离子体共振效应，当微粒大小达到光波波长量级 时，微粒对光的散射效应不再是宏观的漫反射效果。尤其当微粒具有一定的 长宽比，形成棒状时，当光波的电场振动方向和金纳米棒的长轴方向一致时， 金纳米棒表面会产生强烈的等离子体共振。

目前，对径向、角向偏振光束的形成装置及方法研究较多，此外，现有 技术中，利用随机分布的金纳米棒检测调制后的角向偏振光，定性验证了偏 振状态，还包括通过测试光束在接近聚焦点处偏振态分布，从而推算出聚焦 点处的偏振态。但尚未见到对光束在聚焦点处的偏振态分布定量检测。

发明内容

针对现有技术中存在的不足之处，本发明提供一种用于检测光束在聚焦 点处的偏振态空间分布的检测方法，本发明所要解决的技术问题还在于提供 一种结构设计合理，功能完善，能实现定量检测的光束在聚焦点处的偏振态 空间分布测量装置。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种光束在聚焦点处的偏振态空间分布测量方法，其中，包括：

1)将入射光束通过扫描振镜反射到物镜，然后透过物镜会聚至物镜焦点 处；

2)将标准检测样品放置在物镜的焦平面上，让通过物镜会聚的光照射在 标准检测样品上，所述标准检测样品上设置有长轴沿x，y和z三维方向放置 的三个金纳米棒；

其中，所述扫描振镜通过移动改变入射光束的反射路径使得反射光遍历 标准检测样品的所有位置；

3)标准检测样品反向散射回的光线穿回所述物镜，再由光探测器接收， 以形成标准检测样品的光学图像，所述光学图像分别代表焦点处光束在x、y、 z三个方向的偏振态分量，由所述三个分量的相对强度分布确定物镜的聚焦 点处的偏振态空间分布。

优选的是，所述的光束在聚焦点处的偏振态空间分布测量方法，其中， 所述入射光束首先通过分束镜进行分光，被分成一束透射光和一束反射光， 取其中的反射光束传播至所述扫描振镜。

优选的是，所述的光束在聚焦点处的偏振态空间分布测量方法，其中， 所述标准检测样品散射回的光线穿回所述物镜后，首先由所述扫描振镜反射， 然后穿过该分束镜进行分光，也被分成一束透射光和一束反射光，取其中的 透射光传播至所述光探测器。

优选的是，所述的光束在聚焦点处的偏振态空间分布测量方法，其中， 所述标准检测样品设置在位移台上，所述位移台设置有可沿x方向和y方 向移动的驱动机构，进一步使得反射光遍历标准检测样品的所有位置；

优选的是，所述的光束在聚焦点处的偏振态空间分布测量方法，其中， 所述扫描振镜和物镜之间还设置有中间透镜，所述中间透镜与物镜一起将图 像放大，所述入射光束通过扫描振镜反射后先穿过所述中间透镜，再到达物 镜。

优选的是，所述的光束在聚焦点处的偏振态空间分布测量方法，其中， 所述标准检测样品散射回的光线穿回所述物镜后，先经过所述中间透镜，再 由所述扫描振镜反射。

优选的是，所述的光束在聚焦点处的偏振态空间分布测量方法，其中， 所述标准检测样品散射回的光线经过该分束镜进行分光后的透射光首先经过 回路透镜会聚在针孔处，再透过针孔传播至所述光探测器。

优选的是，所述的光束在聚焦点处的偏振态空间分布测量方法，其中， 所述针孔设置在针孔板上，且所述针孔板设置在所述回路透镜的焦平面上。

优选的是，所述的光束在聚焦点处的偏振态空间分布测量方法，其中， 所述三个金纳米棒中，沿z轴方向放置的金纳米棒与物镜的光轴方向相同。

本发明公开的光束在聚焦点处的偏振态空间分布测量方法的有益效果 是：将表面等离子增强原理应用于焦点处光束偏振态的测量，通过建立标准 检测样品，可确定其反映的光场偏振分量之间的定量关系，本发明提出的实 验、定量检测光束在焦点处偏振态强度的方法，可应用于矢量调控光束后实 际检测光束性质。

附图说明

图1为本发明一实施例所述的光束在聚焦点处的偏振态空间分布测量方 法中的检测光路示意图；

图2为本发明一实施例所述的光束在聚焦点处的偏振态空间分布测量方 法中标准检测样本中的金纳米棒分布图；

图3为本发明一实施例所述的光束在聚焦点处的偏振态空间分布测量方 法中长轴位于x方向的金纳米棒图像；

图4为本发明一实施例所述的光束在聚焦点处的偏振态空间分布测量方 法中长轴位于y方向的金纳米棒图像；

图5为本发明一实施例所述的光束在聚焦点处的偏振态空间分布测量方 法中长轴位于z方向的金纳米棒图像。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参 照说明书文字能够据以实施。

一种光束在聚焦点处的偏振态空间分布测量方法，参阅图1，包括：

1)将入射光束1通过扫描振镜3反射到物镜6，然后透过物镜会聚至物 镜焦点处；

2)将标准检测样品7放置在物镜的焦平面上，让通过物镜会聚的光照射 在标准检测样品上，参阅图2，所述标准检测样品上设置有长轴沿x，y和z 三维方向放置的三个金纳米棒；

其中，所述扫描振镜可以通过移动改变入射光束的反射路径使得反射光 遍历标准检测样品的所有位置，也可以通过同时移动所述检测样品而使得反 射光遍历检测样品的所有位置。我们可以将这个反射光透过物镜后的汇聚点 称作扫描光斑；

3)扫描光斑中含有x、y和z三个方向的偏振光，我们的目的就是要定 量分析这三个方向的偏振光的值。根据金纳米棒的性质，当扫描光斑照射到 金纳米棒上时，金纳米棒表面会产生强烈的等离子体共振，只有与金纳米棒 的长轴方向(也就是轴向)一致偏振光才会被金纳米棒散射，而与与金纳米 棒的长轴方向(也就是轴向)不一致偏振光会被金纳米棒吸收。

例如，当扫描光斑扫首先描到长轴位于z方向的金纳米棒时，z方向的 金纳米棒只散射偏振方向为z的偏振光，散射的偏振光通过物镜回到光探测 器11。光探测器11根据接收到的z方向的金纳米棒散射回来的偏振光确定 在这束扫描光斑在z方向的偏振光值。而实际上，光探测器11接受到的散射 回来的偏振光就是长轴位于z方向的金纳米棒所成的像，也就是偏振方向z 的光学图像。然后这束扫描光斑继续扫描到长轴位于x方向的金纳米棒时，x 方向的金纳米棒只散射偏振方向为x的偏振光，散射的偏振光通过物镜回到 光探测器11。光探测器11根据接收到的x方向的金纳米棒散射回来的偏振 光确定在这束扫描光斑在x方向的偏振光值。而实际上，光探测器11接受到 的散射回来的偏振光就是长轴位于x方向的金纳米棒所成的像，也就是偏振 方向x的光学图像。然后这束扫描光斑继续扫描到长轴位于y方向的金纳米 棒时，y方向的金纳米棒只散射偏振方向为y的偏振光，散射的偏振光通过 物镜回到光探测器11。光探测器11根据接收到的y方向的金纳米棒散射回 来的偏振光确定在这束扫描光斑在y方向的偏振光值。而实际上，光探测器 11接受到的散射回来的偏振光就是长轴位于y方向的金纳米棒所成的像，也 就是偏振方向y的光学图像。由此可以测定该扫描光斑中x，y和z三个方向 的偏振光值。

参阅图3-5，分别为长轴位于x、y、z方向的所述金纳米棒某种图像， 即焦点处光束的偏振光对所述标准检测样品所成的像，图3-5可分别代表焦 点处光束在x、y、z三个方向的偏振态分量，由所述三个分量的相对强度分 布，可以分析计算出焦点处光束偏振态的强度在空间分布，实现焦点处光斑 偏振态空间分布的定量测量。

在以上本发明原理基础上，还可以有许多变形。

本发明还可以包括以下情况，所述入射光束首先通过分束镜2进行分光， 被分成一束透射光和一束反射光，取其中的反射光束传播至所述扫描振镜。

进一步的，所述标准检测样品散射回的光线穿回所述物镜后，首先由所 述扫描振镜反射，然后穿过所述分束镜进行分光，也被分成一束透射光和一 束反射光，取其中的透射光传播至所述光探测器。

本发明还可以包括以下情况，所述标准检测样品设置在位移台上，所述 位移台设置有可沿x方向和y方向移动的驱动机构，进一步使得反射光遍 历标准检测样品的所有位置；其中，由于光斑自身移动的幅度较大，而位移 台移动的幅度较小，所以待光斑移动到一个位置，然后在这个位置的一定范 围内，位移台对所述标准检测样品的位置进行微调，即扫描振镜与位移台共 同作用，使得光斑相对金纳米棒逐点逐行扫描。

优选的是，所述的光束在聚焦点处的偏振态空间分布测量方法，其中， 所述针孔设置在针孔板上，且所述针孔板设置在所述回路透镜的焦平面上。

进一步的，所述扫描振镜和物镜之间还设置有中间透镜4和5，所述中 间透镜与物镜一起将图像放大，所述入射光束通过扫描振镜反射后先穿过所 述中间透镜，再到达物镜。

进一步的，所述标准检测样品散射回的光线穿回所述物镜后，先经过所 述中间透镜，再由所述扫描振镜反射。

本发明还可以包括以下情况，所述标准检测样品散射回的光线经过所述 分束镜进行分光后的透射光首先经过回路透镜9会聚在针孔处，再透过针孔 传播至所述光探测器。

进一步的，所述针孔10设置在针孔板上，且所述针孔板设置在所述回路 透镜的焦平面上。

进一步的，还包括以下情况，所述三个金纳米棒中，沿z轴方向放置的 金纳米棒与物镜光轴方向相同，也就是说，光线由z方向投射至样品上。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方 式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领 域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范 围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图 例。