[发明专利]一种光学相位器件及其应用方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及传感技术及色散补偿技术领域，尤其涉及一种光学相位器件及其应用方法和系统。

背景技术

当光束在界面发生反射时，当界面的反射率函数(包括强度和相位)不为常数时，将可能发生一系列非镜面反射现象。例如：光束中心在反射界面的入射点和出射点之间可以存在一定的侧向位移。这一现象首先由Goos和Hanchen通过实验证实，因而被称为古斯汉欣现象(Goos Hanchen effect)。其他同时可能发生的非镜面反射效应包括纵向位移(Imbert-Fedorov shift)、角度旋转以及光束形状变化等。作为非镜面反射的典型效应，古斯汉欣现象自被发现以来一度成为研究热点，在几十年间得到了深入研究。研究发现古斯汉欣现象的产生是由反射率函数中的角度相关的相位项的跳变引起的。对于接近准直的光束而言，古斯汉欣位移的大小由反射时光束经历的角度相关的相位跳变对于入射光波数的一阶导数决定。通常情况下，这种相位跳变不大，因此古斯汉欣位移的大小一般仅在波长量级，往往可被忽略。几十年来的研究发现可以通过材料的选择，如包括金属在内的吸收材料，左手人工材料等增强古斯汉欣现象。以往研究也发现，在两个材料界面上发生全反射时，在全反射角附近，即反射强度发生显著变化时，由于反射率函数的相位项会发生明显改变，从而可以产生古斯汉欣现象。此外，一些能产生能产生倏逝波的结构中的古斯汉欣现象也被广泛研究，如表面等离子共振结构、金属包覆的光波导结构、双棱镜结构等。

其中，Felbacq等人对光束入射到位于低折射率材料中的一维均匀周期性光子晶体层的透射反射特性进行了研究(Optics Letters，28(2003)pp.1633)，发现在光子晶体禁带边缘、反射率变化剧烈的区域，会产生类似全反射时的古斯汉欣效应。王立刚等人对两面均为低折射率介质的一维光子晶体结构缺陷模式的反射光和透射光的古斯汉欣效应进行了研究(Optics Letters，31(2006)pp.101)。他们通过在光子晶体中加入缺陷层，破坏光子晶体的禁带，在高反射率区间内引入一个吸收峰，引入的缺陷模式增强了相位变化，从而将古斯汉欣位移的大小提高了一个量级。上述研究中涉及的结构能够产生较大相位变化、即较大古斯汉欣位移时，均伴随有显著的反射率强度变化。

近年来，对包含金属结构中的古斯汉欣位移的理论和实验研究取得了长足进步，并已经开始在传感领域得到了应用。Yin等人在对表面等离子体共振传感器的研究中指出，由于表面等离子体共振发生时，反射光不仅在强度上急剧减弱，而且在相位上发生相位跳变，因而能产生增强的古斯汉欣位移。Yin等人提出利用利用古斯汉欣效应提高表面等离子体共振传感器的检测灵敏度(Applied Physics Letters，89(2006)pp.261108)。这种方法将待测液体的浓度变化转化为折射率变化，进而表面等离子共振的条件发生变化，使得反射光相位发生变化，并转化为SPR结构中的增强的古斯汉欣位移变化，检测时通过检测由浓度变化引起的古斯汉欣位移的变化大小来确定待测样品折射率的变化。陈麟等人采用类似的方法，通过检测光波导振荡场传感器中增强的古斯汉欣位移变化大小来确定待测样品折射率的变化(Applied Physics Letters，89(2006)pp.081120)。

虽然现有技术可以通过结构的设计大大增强古斯汉欣效应，将其从波长量级增大到微米乃至亚毫米量级，使其具有实际应用价值，但是相位跳变的增强往往对应反射谱上增强的吸收峰，现有结构均无法避免这点。这使得在古斯汉欣位移的检测中，待测的反射光束往往强度非常微弱，信噪比极低，这在增强了检测难度的同时降低了测量的可靠性。

宽谱光脉冲在光纤中传输时，光纤的群速度色散会导致脉冲展宽，因此需要使用色散补偿器件对其进行色散补偿。此外，当对短光脉冲进行脉冲放大等处理时，会使用色散控制器件将脉冲进行啁啾展宽。因此，色散控制器件对于短脉冲的传输、控制、应用等都具有重要的意义。