[发明专利]动量空间光学相位测量系统

说明书

本发明涉及一种动量空间光学相位测量系统，包括：物镜，置于待测样品的后方；第一分束器，置于物镜的后方；两个透镜，以一定间距置于第一分束器的后方；光电探测设备，置于的两个透镜的后方；以及光束发射装置，用于形成光束；其中，光束被分成射向待测样品的第一路光束和射向第一分束器的第二路光束；第一路光束经过待测样品和物镜而进入第一分束器并与第二路光束合束形成汇合光束，汇合光束依次通过的两个透镜并射入光电探测设备。本发明采用光束分成经过样品和不经过样品的两路光束传播，而后在样品的动量空间中重新叠加，进而利用光学探测设备测量叠加信号的强度，从中提取出样品在动量空间中的光学相位响应信息。

技术领域

本发明涉及光学相位测量的技术领域，特指一种动量空间光学相位测量系统。

背景技术

光作为一种电磁波，其相位信息非常重要，相位的不同会引起强度的不同分布。当相同频率、相同振幅的两束光叠加时，它们之间不同的相位关系会产生截然不同的效果：当两束光具有完全相同的相位时，它们的叠加强度为各自强度的累加；当两束光的相位相差半个周期时，它们的叠加强度为零。光的干涉、衍射等效应都源于此。除了强度，相位对光的偏振态也有着很大影响。两个垂直偏振矢量的相位关系不同会形成完全不同的偏振态：当两者的相位完全相同时，随着时间的变化电场矢量的矢端在平面内绘制出一条直线，即为线偏振光；当两者相位相差90°时，随着时间的变化电场矢量的矢端在平面内描绘出一个(椭)圆形，即为(椭)圆偏振光；另外根据相位差为+90°和-90°，还可以进一步分为左旋(椭)圆偏振和右旋(椭)圆偏振态。因此，相位是调制光场性质、光波传输的一个十分重要的维度。

为了对光进行更好的调制与性质研究，人们设计制作出光子晶体、表面等离激元、超材料等新型人工光子材料。这种材料往往具有与作用波长相比拟的周期性结构尺度，可微小化、集成化，在各类光电器件中具有广阔的应用前景。新型人工光子材料通常由不同性质的材料或结构交替排列而成，可以对电磁波产生传统均匀材料所没有的调制效果，具有更加丰富的光学模式或者共振模式，形成不同于自由空间中的光的色散关系、光子能带、光子带隙等重要的动量空间特性。近年来，新型人工光子材料发展十分迅速，不断出现新的材料结构，发现新的光学现象。利用具有丰富动量空间特性的新型人工光子材料来调控光的相位性质逐渐成为研究者们关注的焦点：人们可以通过结构与材料设计，使光子晶体薄膜中的光学模式对光波的不同偏振矢量的相位产生特殊调制，可以实现对光波偏振态的控制；近来备受关注的超表面、超透镜等材料，可以通过一层亚波长结构单元来控制空间光场的相位分布，从而有效地控制光的传播，实现光束汇聚、成像、产生涡旋光束等效果；另外，通过对材料相位性质的设计，还可以改变材料对光波的吸收特性或者产生奇特的光学拓扑效应。

人工新型光子材料的相位性质正在越来越多的光子学研究中起着重要作用。这也对相应的光学测量手段提出了新的要求，需要一种适应其微小化特点并能在其动量空间中提取光学相位信息的光学测量技术。目前，市面上已有一些用于测量显微样品材料的光学相位性质和动量空间性质的专利技术，如光学相位测量轮廓术和动量空间光谱测量系统等。但这些技术仅能满足部分测量需求：

光学相位测量轮廓术，该技术基于光栅投影和相位测量，根据观察物体上条纹的变形情况来测量物体三维形貌。它通过多幅相移条纹图来计算得到截断的相位，再通过相位展开算法将截断相位展开为连续相位，最后根据一定的算法从相位分布中恢复物体的实际三维面形。这种方法是在样品空间上而非在动量空间上进行分辨，无法得到新型人工光子材料的动量空间性质，因此具有一定的局限性。

可用于微纳光子学材料动量空间成像测量系统，该系统能够对介观尺度的微纳光子学材料进行光谱分析测量，可用于测量和表征带隙性质、能带结构、色散关系等信息。不过由于光波的高振荡频率，该技术探测得到的是光的强度信息，不能分辨其相位信息，无法满足光学相位性质测量的需求。

发明内容