[发明专利]一种基于光学奇异点设计的多层膜光探测器及其探测方法

说明书

本发明公开了一种基于光学奇异点设计的多层膜光探测器及其探测方法。该探测器包括衬底和衬底上的多层膜，衬底为通讯波段透明的光学材料；多层膜具有光学奇异点，由无损耗光学材料和有损耗光学半导体材料交替排列组成一维周期性阵列，以四层膜为一个结构单元。根据光在多层膜中传输的特性矩阵精确调控材料的实部折射率、虚部折射率、膜厚，使得探测器结构在特定波长出现一侧反射率不为零，另一侧反射率理论为零的单向无反射现象。当外加光源入射到探测器上时，半导体材料由于光电效应引起自身折射率发生变化，使无反射的一端出现反射，即达到了探测外加光源的目的。本发明具有探测技术新颖直观，灵敏度高且稳定性好，所需检测设备成本低等优点。

技术领域

本发明属于光学探测器领域，具体涉及一种基于非厄米光学系统奇异点设计的多层膜光探测器及其探测方法。

背景技术

光学探测技术依赖于光与物质的相互作用，因而取决于物质本身的可调节的自由度。材料本身所包含的自由度一般包括常见的材料参数如介电常数、磁导率、光电响应等等。其中，介电常数是光学探测的重要组成部分。在之前大部分研究中，结构和器件的设计主要基于巧妙地调控材料的介电常数实部，从而诞生了诸如光子晶体微腔、波导阵列、回音壁腔等可以用作光学探测的器件。而与介电常数实部相对的，介电常数的虚部，即材料的增益和损耗系数，却往往被忽略，甚至光学系统中无处不在的损耗通常都被看作影响器件的不利因素。还有一个重要的原因导致虚部的研究往往被忽略，即早期量子理论认为只有厄米的哈密顿量才具有实数本征值，而包含了虚部的非厄米哈密顿量不具有可以稳定存在的实数本征值。但是近些年的研究发现，非厄米的哈密顿量也可能具有实数本征值，前提是哈密顿量满足时空对称(Parity-Time Symmetry)的条件V(r)＝V(-r)*。由于光学中的波动方程与量子系统中的薛定谔方程具有形式上的一致性，量子系统中的时空对称概念可以类比到光学系统中，非厄米光学系统的哈密顿量也有可能具有实数的本征值，也就意味着有可能具有稳定观测的模式。实现非厄米哈密顿量还具有许多反直觉的现象，例如，在时空对称自发破缺时会产生奇异点，奇异点在复数谱里面是一个单值点并且和简并态相联系，从而导致特殊的光学模式简并，衍生出前向、反向模式简并所导致的单向无反射现象。这个发现将人们的关注点从简单的厄米系统拓宽到非厄米系统，为光与物质的相互作用和光学探测增加了一个崭新的自由度，也为设计具有新颖功能的光学器件提供了设计灵感。

发明内容

鉴于以上现有技术的情况，本发明的目的在于提供一种基于非厄米光学系统奇异点设计的多层膜光探测器，该探测器结构简单，灵敏度高且稳定性好。本发明的另外一个目的是提供利用该探测器的探测方法，所需检测设备成本低，探测技术新颖直观。

为实现上述目的，本发明多层膜光探测器采取的技术方案为：

一种基于光学奇异点设计的多层膜光探测器，包括衬底和衬底上的多层膜，所述衬底为通讯波段透明的光学材料；所述多层膜具有光学奇异点，由无损耗光学材料和有损耗光学半导体材料交替排列组成，形成一维周期性阵列，其中，以四层膜为一个结构单元，所述多层膜包括一个或者多个结构单元。

进一步地，所述衬底为石英玻璃、氧化镁、氟化钙或者氧化铝。

进一步地，所述有损耗光学半导体材料为硅或者掺杂的三五族半导体。

进一步地，所述无损耗光学材料为二氧化硅。

进一步地，所述多层膜包括4-12个结构单元，每个结构单元中的每一层膜厚为纳米量级。

利用上述一种基于光学奇异点设计的多层膜光探测器的探测方法，包括如下步骤：

(1)将待测定的信号光照射在所述多层膜上，引起有损耗光学半导体材料折射率的变化；信号光的波长为可见光或者近红外波段；

(2)打开泵浦激光器，并利用光探测器配合光电倍增管监测无反射一端的光信号变化；激光器的波长为所述多层膜发生单向无反射时的波长。