專利名稱：一種光學相位器件及其應用方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及傳感技術及色散補償技術領域，尤其涉及一種光學相位器件及其應用方法和系統。
背景技術：
當光束在界面發生反射時，當界面的反射率函數(包括強度和相位)不為常數時， 將可能發生一系列非鏡面反射現象。例如光束中心在反射界面的入射點和出射點之間可以存在一定的側向位移。這一現象首先由Goos和Hanchen通過實驗證實，因而被稱為古斯漢欣現象(Goos Hanchen effect) 0其他同時可能發生的非鏡面反射效應包括縱向位移 (Imbert-Fedorov shift)、角度旋轉以及光束形狀變化等。作為非鏡面反射的典型效應，古斯漢欣現象自被發現以來一度成為研究熱點，在幾十年間得到了深入研究。研究發現古斯漢欣現象的產生是由反射率函數中的角度相關的相位項的跳變引起的。對于接近準直的光束而言，古斯漢欣位移的大小由反射時光束經歷的角度相關的相位跳變對于入射光波數的一階導數決定。通常情況下，這種相位跳變不大，因此古斯漢欣位移的大小一般僅在波長量級，往往可被忽略。幾十年來的研究發現可以通過材料的選擇，如包括金屬在內的吸收材料，左手人工材料等增強古斯漢欣現象。以往研究也發現，在兩個材料界面上發生全反射時，在全反射角附近，即反射強度發生顯著變化時，由于反射率函數的相位項會發生明顯改變，從而可以產生古斯漢欣現象。此外，一些能產生能產生倏逝波的結構中的古斯漢欣現象也被廣泛研究，如表面等離子共振結構、金屬包覆的光波導結構、雙棱鏡結構等。其中，Felkicq等人對光束入射到位于低折射率材料中的一維均勻周期性光子晶體層的透射反射特性進行了研究(Optics Letters, 28 (2003) pp. 1633)，發現在光子晶體禁帶邊緣、反射率變化劇烈的區域，會產生類似全反射時的古斯漢欣效應。王立剛等人對兩面均為低折射率介質的一維光子晶體結構缺陷模式的反射光和透射光的古斯漢欣效應進行了研究(Optics Letters, 31 (2006) pp. 101)。他們通過在光子晶體中加入缺陷層，破壞光子晶體的禁帶，在高反射率區間內引入一個吸收峰，引入的缺陷模式增強了相位變化，從而將古斯漢欣位移的大小提高了一個量級。上述研究中涉及的結構能夠產生較大相位變化、即較大古斯漢欣位移時，均伴隨有顯著的反射率強度變化。近年來，對包含金屬結構中的古斯漢欣位移的理論和實驗研究取得了長足進步， 并已經開始在傳感領域得到了應用。Yin等人在對表面等離子體共振傳感器的研究中指出， 由于表面等離子體共振發生時，反射光不僅在強度上急劇減弱，而且在相位上發生相位跳變，因而能產生增強的古斯漢欣位移。Yin等人提出利用利用古斯漢欣效應提高表面等離子體共振傳感器的檢測靈敏度(Applied Physics Letters, 89 (2006) pp. 261108) 這種方法將待測液體的濃度變化轉化為折射率變化，進而表面等離子共振的條件發生變化，使得反射光相位發生變化，并轉化為sra結構中的增強的古斯漢欣位移變化，檢測時通過檢測由濃度變化引起的古斯漢欣位移的變化大小來確定待測樣品折射率的變化。陳麟等人采用類似的方法，通過檢測光波導振蕩場傳感器中增強的古斯漢欣位移變化大小來確定待測樣品折射率的變化(Applied Physics Letters，89 Q006)pp. 081120)。雖然現有技術可以通過結構的設計大大增強古斯漢欣效應，將其從波長量級增大到微米乃至亞毫米量級，使其具有實際應用價值，但是相位跳變的增強往往對應反射譜上增強的吸收峰，現有結構均無法避免這點。這使得在古斯漢欣位移的檢測中，待測的反射光束往往強度非常微弱，信噪比極低，這在增強了檢測難度的同時降低了測量的可靠性。寬譜光脈沖在光纖中傳輸時，光纖的群速度色散會導致脈沖展寬，因此需要使用色散補償器件對其進行色散補償。此外，當對短光脈沖進行脈沖放大等處理時，會使用色散控制器件將脈沖進行啁啾展寬。因此，色散控制器件對于短脈沖的傳輸、控制、應用等都具有重要的意義。目前常用的色散控制器件主要包括色散補償光纖(DCF)、光纖布拉格光柵(FBG)、 光柵對、蓋爾斯-特納爾斯干涉儀等。DCF在1550nm具有正常色散，可以補償單模光纖所導致的脈沖展寬，但是由于其色散量太小，Ikm的DCF僅能對Skm-IOkm普通單模光纖所導致的色散進行補償，此外，DCF在1550nm的傳輸損耗較高，其較小的模場直徑帶來的高非線性特性也不適用于具有高峰值功率的超短脈沖。FBG在禁帶邊沿具有較大的群速度色散，可以對脈沖的色散進行控制，但是由于FBG的帶寬往往較窄，如將其應用于帶寬色散控制，需要制作非常長的光柵，而且FBG對于溫度敏感，無法實現實用化。平行放置的光柵對可以作為色散延遲線，對通過的脈沖產生反常的群速度色散，其缺點在于存在較大的衍射損耗。蓋爾斯-特納爾斯干涉儀可以反射全部的光脈沖能量，對脈沖進行色散控制，但是其帶寬很窄， 需要通過多級級聯結構實現寬帶色散控制。啁啾反射鏡等器件則一方面具有高反射率基底，同時設計反射鏡在正入射或較小角度入射條件下的波長相關的相位響應，來提供色散控制能力。
發明內容
針對現有技術中存在的上述問題，本發明提供了一種光學相位器件及其應用方法和系統。本發明提供了一種光學相位器件，包括透明電介質基底、多層介質材料層和介質緩沖層，透明電介質基底、多層介質材料層和介質緩沖層的折射率均大于外部介質的折射率；對于入射光束的工作波長，該光學相位器件在角度區間[α，β]內具有相位變化，該光學相位器件在與介質緩沖層相鄰的外部介質和介質緩沖層的交界面處發生全反射的全反射臨界角為Y，Y < β ；在該光學相位器件工作時，該光學相位器件的反射率曲線平坦。在一個示例中，多層介質材料層由兩種以上具有不同折射率的介質材料層交替形成。在一個示例中，對于入射光束的工作波長，多層介質材料層在角度區間[α ’，β ’] 內具有相位變化，且α，< α，Υ < β ’。在一個示例中，光學相位器件的工作角度范圍為[θ 1，θ 2], max(a , γ) < θ 1 < Θ2< β ；光學相位器件在工作范圍內保持全反射。在一個示例中，介質緩沖層的厚度 dbuffCT大于或等于0，并且dbuffer *^, 2 +.( nJsm2^i )-]};
bluffer — n2s Sin2 θ)υ2nmH2buffer — n2s sin2 θ其中λ為入射光束的工作波長；ns，nbuffCT，1^分別是透明電介質基底、介質緩沖層和介質緩沖層相鄰的外界介質的折射率；P代表入射光束的偏振態；對于TM偏振p = 1 ；對于TE偏振p = 0 ； θ為入射光束的工作角度，max( α，γ ) < θ < β。本發明提供了一種光學相位器件的傳感應用系統，包括按照光路上的順序設置的激光光源、偏振控制器件、光束控制器件、光束耦合器件、光學相位器件和光檢測器件；被測樣品與光學相位器件相鄰，被測樣品與光學相位器件形成交界面；通過樣品池和微流通道系統進樣；其中，激光光源發出的單色光束的入射角度在工作角度范圍[θ 1，θ 2]；光學相位器件具有相位變化的角度區間[α，β ]，該光學相位器件在與被測樣品的交界面處發生全反射時的全反射臨界角為Y，Y < β ；max(a , γ) < θ 1 < θ 2 < β ；在該光學相位器件工作時，該光學相位器件的反射率曲線平坦。本發明提供了一種光學相位器件的傳感應用系統，包括按照光路上的順序設置的激光光源、偏振控制器件、光束控制器件、光束耦合器件、光學相位器件和光檢測器件；被測樣品薄膜與光學相位器件相鄰，被測樣品薄膜與光學相位器件形成第一交界面，外部介質與第一交界面相對的被測樣品薄膜的一側相鄰，被測樣品薄膜與外部介質形成第二交界面；其中，外部介質的折射率低于被測樣品薄膜及光學相位器件中所用材料的折射率；第一交界面與第二交界面平行；激光光源發出的單色光束的入射角度在工作角度范圍
；附著有被測樣品薄膜的光學相位器件具有相位變化的角度區間[α，β]，該光學相位器件在被測樣品薄膜與外部介質的第二交界面處發生全反射時的全反射臨界角為 Y , Y < β ；max(a , γ) < θ 1 < Θ2< β ；在該光學相位器件工作時，該光學相位器件的反射率曲線平坦。本發明提供了一種光學相位器件的傳感應用方法，包括步驟1，將單色光束的偏振態固定；被測樣品與光學相位器件相鄰，并與光學相位器件形成交界面；單色光束的入射角度在工作角度范圍[θ 1，θ 2]；光學相位器件具有相位變化的角度區間[α，β ]，該光學相位器件在與被測樣品的交界面處發生全反射時的全反射臨界角為Y，Y < β ；max(a , γ) < θ 1 < θ 2 < β ；在該光學相位器件工作時，該光學相位器件的反射率曲線平坦；步驟2，單色光束入射到光學相位器件，在光學相位器件與被測樣品的交界面處形成全反射；步驟3，對出射光束的非鏡面反射參數進行檢測；步驟4，根據檢測所得非鏡面反射參數值得到被測樣品的折射率。本發明提供了一種光學相位器件的傳感應用方法，包括步驟10，將單色光束的偏振態固定；被測樣品薄膜與光學相位器件相鄰，被測樣品薄膜與光學相位器件形成第一交界面，外部介質與第一交界面相對的被測樣品薄膜的一側相鄰，被測樣品薄膜與外部介質形成第二交界面，且第一交界面與第二交界面平行，外部介質折射率低于被測樣品薄膜和光學相位器件中所用材料的折射率；單色光束的入射角度在工作角度范圍[Θ1，θ 2]；附著有被測樣品薄膜的光學相位器件具有相位變化的角度區間[α，β]，該光學相位器件在被測樣品薄膜與外部介質的第二交界面處發生全反射的全反射臨界角為Y，Y < β ；max(a , γ) < θ 1 < θ 2 < β ；在該光學相位器件工作時，該光學相位器件的反射率曲線平坦；步驟20，單色光束入射到光學相位器件，在被測樣品薄膜與外部介質的第二交界面處形成全反射；步驟30，對出射光束的非鏡面反射參數進行檢測；步驟40，根據檢測所得非鏡面反射參數值得到被測樣品薄膜的折射率或厚度。在一個示例中，步驟30中所述非鏡面反射參數為出射光束的空間側向位移、縱向位移、角度偏移或光束形狀變化。在一個示例中，所述入射單色光束為中心入射角為θ的準平行光束，其發散角范圍[Θ-ΔΘ，Θ+ΔΘ]內，其中，max (α，Υ)<θ-Δθ<θ+Δθ<β。本發明提供了一種光學相位器件的傳感應用方法，包括步驟100，固定偏振態的入射光束在波長區間[λ incl, λ inc2]內具有頻譜分布；被測樣品與光學相位器件相鄰，并與光學相位器件形成交界面；該光學相位器件具有相位變化的角度區間[a，β]；將入射光束的入射角固定為θ，max(a , γ) < θ < β，γ為該光學相位器件在與被測樣品的交界面處發生全反射時的全反射臨界角；在該光學相位器件工作時，該光學相位器件的反射率曲線平坦；步驟200，入射光束進入光學相位器件，在光學相位器件與被測樣品的交界面處形成全反射；步驟300，對出射光束的頻譜或時域參數進行檢測；步驟400，根據所得的頻譜或時域參數得到被測樣品的折射率。本發明提供了一種光學相位器件的傳感應用方法，包括步驟1000，固定偏振態的入射光束在波長區間[λ incl, λ inc2]內具有頻譜分布；被測樣品薄膜與光學相位器件相鄰，被測樣品薄膜與光學相位器件形成第一交界面，外部介質與第一交界面相對的被測樣品薄膜的一側相鄰，被測樣品薄膜與外部介質形成第二交界面，且第一交界面與第二交界面平行；附著有被測樣品薄膜的該光學相位器件具有相位變化的角度區間[a，β]；將入射光束的入射角固定為θ，max(a，γ) < θ < β，Υ為該光學相位器件在被測樣品薄膜與外部介質的第二交界面處發生全反射的全反射臨界角；在該光學相位器件工作時，該光學相位器件的反射率曲線平坦；步驟2000，入射光束進入光學相位器件，在被測樣品薄膜與外部介質的第二交界面處形成全反射；步驟3000，對出射光束的頻譜或時域參數進行檢測；步驟4000，根據所得的頻譜或時域參數得到被測樣品薄膜的折射率或厚度。本發明提供了一種光學相位器件的色散控制應用方法，將包含一定頻率分布的入射光束通過光學耦合器件一次或多次入射到光學相位器件表面，入射到光學相位器件表面的角度范圍為[Θ 1，Θ2]；該光學相位器件具有相位變化的角度區間[α，i3]，maX(a，γ) < θ 1 < Θ2< β, γ為該光學相位器件在與外界介質的交界面處發生全反射時的全反射臨界角；在該光學相位器件工作時，該光學相位器件的反射率曲線平坦。
本發明提供了一種光學相位器件的色散控制應用系統，包括光學耦合器件和光學相位器件；包含一定頻率分布的入射光束垂直入射到光學耦合器件的入射表面；光學相位器件與光學耦合器件的除入射表面之外的一表面相鄰，該表面與光學耦合器件的入射表面不平行，光束經過光學耦合器件和反射鏡一次或多次入射到光學相位器件表面并被光學相位器件反射；入射到光學相位器件的角度范圍為[θ 1，θ 2]；該光學相位器件具有相位變化的角度區間[α，i3]，maX(a，γ) < θ 1 < Θ2< β ；在該光學相位器件工作時，該光學相位器件的反射率曲線平坦。本發明的光學器件結構可同時具有低損耗和大相位變化，從而具有大古斯漢欣位移(百微米量級到毫米量級)，以往的報道中大的古斯漢欣位移(大的相位跳變處)通常伴隨著反射譜的衰減峰，往往相位跳變越大，損耗越大，造成古斯漢欣位移難以測量、測量的信噪比較低等問題。通過合適的設計，本發明提出的光學器件結構可產生超過現有報道最高的古斯漢欣位移大小，達到毫米乃至十毫米量級。作為色散補償元件，可產生較大的色散量，且幾乎光學損耗非常低，這都是光學色散控制元件所需要的。另外可通過調整工作角度或調諧結構參數，獲得不同的色散補償量。同時本發明的光學器件結構依賴全反射效應產生達到或接近于100%反射率的高反射系數，器件損耗非常低。與以往采用高反射率層來實現低損耗的器件相比，本發明提出的結構不僅非常簡單而且在非常大的波長范圍和角度范圍(從全反射角到90° )內都能夠實現極高的反射率，這又是其他介質和金屬高反射鏡所無法實現的。基于本發明提出的光學器件結構的古斯漢欣傳感檢測系統和傳感檢測方法同時具有低損耗和實際可測的較大古斯漢欣位移，使得實際測量時的信號強度大大增強，降低了檢測的難度和信號的信噪比。可以在簡單的實驗裝置下進行高靈敏度檢測，比起現有報道可高2個數量級。按本發明的方法實現的傳感系統在實際檢測中，光路中的光源、檢測結構、檢測設備等都可以固定不動，便于實現集成化、小型化和便攜化。
下面結合附圖來對本發明作進一步詳細說明，其中圖1是光學相位器件結構的示意圖；圖2是實例1所述光學相位器件結構的反射率及多層介質材料層的反射率的角度曲線；圖3是實例1所述光學相位器件結構的角度相位曲線圖；圖4是實例1所述光學相位器件結構的外界介質為空氣時，其多層介質材料層高反射率區間的上升沿附近古斯漢欣位移的角度變化曲線；圖5是實例1所述光學相位器件結構在入射角為51度時，其波長相位曲線；圖6是實例1所述光學相位器件結構在入射角為51度時，其群速度色散的波長響應曲線；圖7是實例2所述光學相位器件結構應用古斯漢欣傳感系統中，其反射率及其多層介質材料層高反射率區間的上升沿附近的古斯漢欣位移曲線；圖8是實例2所述光學相位器件結構應用古斯漢欣傳感系統中，在全反射臨界角為52. 87時，其上升沿位置附近的古斯漢欣位移變化曲線；圖9是實例2所述光學相位器件結構在工作角度設置為54. 32度時，固定在該工作角度下的古斯漢欣位移隨著外界介質折射率變化曲線；圖10是包含實例2所述光學相位器件結構的古斯漢欣傳感檢測系統；圖11是實例2中的古斯漢欣傳感檢測系統在工作角度設置為53. 07度時，頻域相位變化隨著外界介質折射率變化關系曲線；圖12是實例3中的色散補償器件在入射角度為60度時，多層介質材料層的相位改變Δφ隨入射光波長λ的變化曲線；圖13是實例3中的光學相位器件群速度色散與波長之間的關系曲線；圖14是實例3中的基于三角形耦合棱鏡的色散控制器件結構的示意15是實例3中的基于平行四邊形耦合棱鏡的色散控制器件結構的示意圖；圖16是實例3中的基于光纖等波導結構的色散控制器件結構的示意圖；圖17是實例3中的基于三角形耦合棱鏡的色散控制器件結構的入射光脈沖和出射光脈沖的時域強度曲線；圖18是實例3中的基于平行四邊形耦合棱鏡的色散控制器件結構的入射光脈沖和出射光脈沖的時域強度曲線；圖19是實例4中的光學相位器件結構的示意圖；圖20是實例4中的光學相位器件的角度相位譜；圖21是實例4中的光學相位器件結構應用于古斯漢欣傳感系統中，在工作角度設置為55. 028時，外界介質折射率變化與工作角附近的古斯漢欣位移變化曲線；圖22是實例4中的光學相位器件結構應用于古斯漢欣傳感系統中，在工作角度設置為55. 028時，在該工作角度下的古斯漢欣位移隨著外界介質折射率變化的關系曲線；圖23是實例4中的光學相位器件結構用于頻域相位傳感檢測，在工作角度設置為 54. 5度、入射寬譜光的波長范圍為970-980nm時，在該工作角度下的頻域相位變化隨著外界介質折射率變化關系曲線；圖M是實例5的光學相位器件在入射光波長為980nm，外界介質為空氣時，該光學相位器件入射角度與相位變化的關系曲線；圖25是實例5的光學相位器件在入射角度為52度，入射波長在950-1010nm的波長范圍內，該光學相位器件的波長與相位關系曲線；圖沈是實例5的光學相位器件的群速度色散曲線；圖27是實例6的光學相位器件的入射角度與相位變換曲線；圖觀是實例6的光學相位器件應用于古斯漢欣傳感系統中，在工作角度為54. 895 度時，隨著外界介質的折射率變化，工作角附近的古斯漢欣位移變化曲線；圖四是實例6的光學相位器件應用于古斯漢欣傳感系統中，在工作角度為54. 895 度時，古斯漢欣位移隨著外界介質折射率變化關系曲線；圖30是實例6的用于頻域相位傳感檢測中，在工作角度為54. 92度、入射寬譜光的波長范圍為975-985nm時，頻域相位變化隨著外界介質折射率變化關系曲線；圖31是實例7中水溶液作為外界介質的光相位器件的角度相位曲線圖；圖32是實例7中當外界介質為包含一定濃度蛋白質分子的樣品溶液時，光學相位器件的相位跳變隨著蛋白質吸附薄層的厚度變化而移動的曲線；圖33是實例7中當入射光波長設為980nm，全反射臨界角為52. 88度時，在蛋白質分子的吸附過程中，隨著吸附薄層的厚度增大，古斯漢欣位移變化曲線；圖34是實例7中將工作角度固定在65. 85度時，古斯漢欣位移隨著吸附層厚度變化關系曲線；圖35是實例7中將光學相位器件用于頻域相位傳感檢測，設工作角度設置為66 度，入射寬譜光的波長范圍為970-990nm時，頻域相位變化隨著外界介質折射率變化關系曲線。
具體實施例方式本發明提供的光學相位器件的結構中，多層介質材料層是具有一定反射率并同時具有較大反射相位變化的結構，如將其近似等效為一個反射面，其反射系數為巧，大角度入射的入射光將在該反射面與發生全反射的界面之間產生多次反射與折射，則該光學相位器件的反射率Γ可近似描述為
權利要求
1.一種光學相位器件，其特征在于，包括透明電介質基底、多層介質材料層和介質緩沖層，透明電介質基底、多層介質材料層和介質緩沖層的折射率均大于外部介質的折射率；對于入射光束的工作波長，該光學相位器件在角度區間[α，β]內具有相位變化，該光學相位器件在與介質緩沖層相鄰的外部介質和介質緩沖層的交界面處發生全反射的全反射臨界角為Y，Y < β ；在該光學相位器件工作時，該光學相位器件的反射率曲線平坦。
2.如權利要求1所述的光學相位器件，其特征在于，多層介質材料層由兩種以上具有不同折射率的介質材料層交替形成。
3.如權利要求1所述的光學相位器件，其特征在于，對于入射光束的工作波長，多層介質材料層在角度區間[α ’，β ’ ]內具有相位變化，且α ’ < α，Υ < β ’。
4.如權利要求1所述的光學相位器件，其特征在于，光學相位器件的工作角度范圍為 [θ 1，θ 2]，maX(a，γ) < θ 1 < θ 2 < β ；光學相位器件在工作范圍內保持全反射。
5.如權利要求1或2所述的光學相位器件，其特征在于，介質緩沖層的厚度dbuffCT大于或等于0，并且“ 一_^_。,……-ιΓΛ參偽,n2s sm2 θ-n2m 1/2dbuffer 本"ΤV1-2 ■ 2 ^1/2^ + 2 K-) · -2 ■ 2 J ] }；Mn2buffer - n2s sin2 θ)υ2nmH2buffer - n2s sin2 θ其中λ為入射光束的工作波長；ns，nbuffCT， 分別是透明電介質基底、介質緩沖層和介質緩沖層相鄰的外界介質的折射率；P代表入射光束的偏振態；對于TM偏振ρ = 1 ；對于 TE偏振p = 0 ； θ為入射光束的工作角度，max(a , γ) < θ < β。
6.一種光學相位器件的傳感應用系統，其特征在于，包括按照光路上的順序設置的激光光源、偏振控制器件、光束控制器件、光束耦合器件、光學相位器件和光檢測器件；被測樣品與光學相位器件相鄰，被測樣品與光學相位器件形成交界面；通過樣品池和微流通道系統進樣；其中，激光光源發出的單色光束的入射角度在工作角度范圍[Θ1，θ 2]；光學相位器件具有相位變化的角度區間[α，β ]，該光學相位器件在與被測樣品的交界面處發生全反射時的全反射臨界角為Y，Y < β ；max(a , γ) < θ 1 < Θ2< β ；在該光學相位器件工作時，該光學相位器件的反射率曲線平坦。
7.一種光學相位器件的傳感應用系統，其特征在于，包括按照光路上的順序設置的激光光源、偏振控制器件、光束控制器件、光束耦合器件、光學相位器件和光檢測器件；被測樣品薄膜與光學相位器件相鄰，被測樣品薄膜與光學相位器件形成第一交界面，外部介質與第一交界面相對的被測樣品薄膜的一側相鄰，被測樣品薄膜與外部介質形成第二交界面；其中，外部介質的折射率低于被測樣品薄膜及光學相位器件中所用材料的折射率；第一交界面與第二交界面平行；激光光源發出的單色光束的入射角度在工作角度范圍[θ 1， θ 2]；附著有被測樣品薄膜的光學相位器件具有相位變化的角度區間[α，β]，該光學相位器件在被測樣品薄膜與外部介質的第二交界面處發生全反射時的全反射臨界角為Y，Y < β ；max(a, γ) < θ 1 < θ 2 < β ；在該光學相位器件工作時，該光學相位器件的反射率曲線平坦。
8.一種光學相位器件的傳感應用方法，其特征在于，包括步驟1，將單色光束的偏振態固定；被測樣品與光學相位器件相鄰，并與光學相位器件形成交界面；單色光束的入射角度在工作角度范圍[θ 1，θ 2]；光學相位器件具有相位變化的角度區間[α，β ]，該光學相位器件在與被測樣品的交界面處發生全反射時的全反射臨界角為Y，Y < β ；max(a , γ) < θ 1 < θ 2 < β ；在該光學相位器件工作時，該光學相位器件的反射率曲線平坦；步驟2，單色光束入射到光學相位器件，在光學相位器件與被測樣品的交界面處形成全反射；步驟3，對出射光束的非鏡面反射參數進行檢測；步驟4，根據檢測所得非鏡面反射參數值得到被測樣品的折射率。
9.一種光學相位器件的傳感應用方法，其特征在于，包括步驟10，將單色光束的偏振態固定；被測樣品薄膜與光學相位器件相鄰，被測樣品薄膜與光學相位器件形成第一交界面，外部介質與第一交界面相對的被測樣品薄膜的一側相鄰，被測樣品薄膜與外部介質形成第二交界面，且第一交界面與第二交界面平行，外部介質折射率低于被測樣品薄膜和光學相位器件中所用材料的折射率；單色光束的入射角度在工作角度范圍[θ 1，θ 2]；附著有被測樣品薄膜的光學相位器件具有相位變化的角度區間 [α, β],該光學相位器件在被測樣品薄膜與外部介質的第二交界面處發生全反射的全反射臨界角為Y，Y < β ；max(a , γ) < θ 1 < θ 2 < β ；在該光學相位器件工作時，該光學相位器件的反射率曲線平坦；步驟20，單色光束入射到光學相位器件，在被測樣品薄膜與外部介質的第二交界面處形成全反射；步驟30，對出射光束的非鏡面反射參數進行檢測；步驟40，根據檢測所得非鏡面反射參數值得到被測樣品薄膜的折射率或厚度。
10.如權利要求8或9所述的傳感應用方法，其特征在于，步驟30中所述非鏡面反射參數為出射光束的空間側向位移、縱向位移、角度偏移或光束形狀變化。
11.如權利要求8或9所述的傳感應用方法，其特征在于，所述入射單色光束為中心入射角為θ的準平行光束，其發散角范圍[Θ-Δ θ，Θ+Δ Θ]內，其中，max(a，γ) < θ -Δ θ < θ +Δ θ <β。
12.一種光學相位器件的傳感應用方法，其特征在于，包括步驟100，固定偏振態的入射光束在波長區間[λ Μ ，λ inc2]內具有頻譜分布；被測樣品與光學相位器件相鄰，并與光學相位器件形成交界面；該光學相位器件具有相位變化的角度區間[α，β]；將入射光束的入射角固定為e，max(a，γ) < θ < β, y為該光學相位器件在與被測樣品的交界面處發生全反射時的全反射臨界角；在該光學相位器件工作時，該光學相位器件的反射率曲線平坦；步驟200，入射光束進入光學相位器件，在光學相位器件與被測樣品的交界面處形成全反射；步驟300，對出射光束的頻譜或時域參數進行檢測；步驟400，根據所得的頻譜或時域參數得到被測樣品的折射率。
13.一種光學相位器件的傳感應用方法，其特征在于，包括步驟1000，固定偏振態的入射光束在波長區間[λ incl, λ inc2]內具有頻譜分布；被測樣品薄膜與光學相位器件相鄰，被測樣品薄膜與光學相位器件形成第一交界面，外部介質與第一交界面相對的被測樣品薄膜的一側相鄰，被測樣品薄膜與外部介質形成第二交界面， 且第一交界面與第二交界面平行；附著有被測樣品薄膜的該光學相位器件具有相位變化的角度區間[α，β]；將入射光束的入射角固定為e，max(a，γ) < θ < β, y為該光學相位器件在被測樣品薄膜與外部介質的第二交界面處發生全反射的全反射臨界角；在該光學相位器件工作時，該光學相位器件的反射率曲線平坦；步驟2000，入射光束進入光學相位器件，在被測樣品薄膜與外部介質的第二交界面處形成全反射；步驟3000，對出射光束的頻譜或時域參數進行檢測；步驟4000，根據所得的頻譜或時域參數得到被測樣品薄膜的折射率或厚度。
14.一種光學相位器件的色散控制應用方法，其特征在于，將包含一定頻率分布的入射光束通過光學耦合器件一次或多次入射到光學相位器件表面，入射到光學相位器件表面的角度范圍為[Θ1，θ 2]；該光學相位器件具有相位變化的角度區間[α，^],max(a, y) < Θ1< Θ2< β, γ為該光學相位器件在與外界介質的交界面處發生全反射時的全反射臨界角；在該光學相位器件工作時，該光學相位器件的反射率曲線平坦。
15.一種光學相位器件的色散控制應用系統，其特征在于，包括光學耦合器件和光學相位器件；包含一定頻率分布的入射光束垂直入射到光學耦合器件的入射表面；光學相位器件與光學耦合器件的除入射表面之外的一表面相鄰，該表面與光學耦合器件的入射表面不平行，光束經過光學耦合器件和反射鏡一次或多次入射到光學相位器件表面并被光學相位器件反射；入射到光學相位器件的角度范圍為[θ 1，θ 2]；該光學相位器件具有相位變化的角度區間[a，i3]，max(a，γ) < θ 1 < θ 2 < β ；在該光學相位器件工作時，該光學相位器件的反射率曲線平坦。
全文摘要
本發明公開了一種光學相位器件及其應用方法和系統。該光學相位器件，包括透明電介質基底、多層介質材料層和介質緩沖層，透明電介質基底、多層介質材料層和介質緩沖層的折射率均大于外部介質的折射率；對于入射光束的工作波長，該光學相位器件在角度區間[α，β]內具有相位變化，該光學相位器件在與介質緩沖層相鄰的外部介質和介質緩沖層的交界面處發生全反射的全反射臨界角為γ，γ＜β；在該光學相位器件工作時，該光學相位器件的反射率曲線平坦。本發明的光學器件可同時具有低損耗和大相位變化，從而具有大古斯漢欣位移。作為色散補償元件，可產生較大且可調諧的色散量，可通過調整工作角度或調諧結構參數，獲得不同的色散補償量。
文檔編號G01N21/43GK102230986SQ201110132978
公開日2011年11月2日 申請日期2011年5月20日 優先權日2011年5月20日
發明者萬育航, 關靜宜, 趙欣, 鄭錚, 鹿智婷 申請人:北京航空航天大學