[发明专利]光磁场探针和探测系统、光磁响应材料的应用方法

说明书

本发明涉及一种光磁场探针和探测系统、光磁响应材料的应用方法。其中光磁场探针包括光磁响应材料，而光磁响应材料是高折射率半导体纳米球颗粒。本申请这种光磁场探针不仅能够在激励光磁场分量的激发下产生荧光，而且激励光的电场分量对该荧光贡献极小，并且该光磁场探针对激励光任意方向的光场磁分量都有响应，从而能够更加简单、纯粹、准确地探测激励光的磁场特征。

技术领域

本发明涉及光学探测技术领域，具体涉及一种光磁场探针和探测系统、光磁响应材料的应用方法。

背景技术

光作为一种电磁波，同时包含电场和磁场分量。因此对光场(比如激光束等)的测量会受到电场和磁场的同时作用。由于在自然界中具有光学磁响应的材料屈指可数，因而对光磁场探测的研究一直难以有很大的突破。

光磁响应材料是光磁场探针的核心，其能够与待测光的磁场分量发生相互作用。现有技术中，常用的光磁响应材料主要有两种。一种为包括稀土离子类的天然材料，其可以产生磁跃迁发光。另一种为具有人工光磁响应的纳米结构材料。而这两种材料均存在一定的弊端：

稀土离子的种类和数量十分稀少，并且其产生的有效的光学磁跃迁频率是分立的，因而只会对具有特定波长的光具有磁响应。另外其在磁场探测过程中，必须采取如超低温冷冻环境的措施以降低电跃迁干扰，操作十分不便。

对于具有人工磁响应的纳米结构材料，其制备一般采用复杂且昂贵的电子束全息或聚焦离子束刻蚀工艺，制备出的样品一般是平面结构，对应的磁偶极矩只有一个方向，因而只能探测特定方向的磁场分量。此外，这些基于金属材料的人工纳米结构在可见光波段具有较高的欧姆损耗，其光磁响应一般发生在近红外波段，存在明显的电-磁串扰效应。

发明内容

本申请所要解决的第一个技术问题是，提出一种能够更加纯粹地探测激励光的磁场分量的光磁场探针，其不仅能够在激励光磁场分量的激发下产生荧光，而且激励光的电场分量对该荧光贡献极小，并且该光磁场探针对激励光任意方向的光场磁分量都有响应。

为了解决上述第一个技术问题，本申请提出的技术方案是：

一种光磁场探针，包括光磁响应材料，所述光磁响应材料是高折射率半导体纳米球颗粒。

发明人经过大量研究惊奇地发现：高折射率半导体纳米球颗粒不仅在激励光的激发下能够产生荧光，而且只要该高折射率半导体纳米球颗粒的粒径与该高折射率半导体纳米球颗粒的折射率的乘积在激励光的波长附近时，那么激励光自身的电场分量对该荧光的贡献几乎为零，并且荧光的强度与颗粒于光场中位置的磁场强度正相关。此外，高折射率半导体纳米球颗粒的磁偶极模式是空间各向同性的，对任意方向的光场磁分量都有响应，克服了传统光磁响应材料只能探测特定方向磁场分量的缺陷。基于此，本发明将高折射率半导体纳米球颗粒作为光磁场探针的光磁响应材料，就可以简单地通过监测所获得的荧光信号的强度来分析判断激励光的空间三维磁场强度。

本申请在上述技术方案的基础上，还包括以下优选方案中的一种或几种：

上述高折射率半导体纳米球颗粒的折射率一般要大于3。将前述高折射率半导体纳米球颗粒的折射率选定为大于3是有利的，这是因为：在指定应用波长条件下，半导体纳米球颗粒的粒径与折射率的乘积要固定在该波长数值附近。这意味着采用更大的折射率时所需的粒径可以更小，那么由它实现的磁场探针可以拥有更高的空间探测分辨率。为了保证足够高的空间探测分辨率，粒子尺寸大小一般不应超过应用波长的三分之一。而且当我们采用小折射率(＜3)的纳米球颗粒探测光线的磁分量时，基本不能够捕捉到荧光信号。

大多数情况下，光磁场探针需要配置承载上述高折射率半导体纳米球颗粒的衬底。

球形硅粒子和球形砷化镓粒子是两种非常典型的高折射率半导体纳米球颗粒，且二者的折射率都大于3。并且，发明人经过大量的实验，直接验证了球状的硅粒子和砷化镓粒子用做光磁响应材料时，电-磁串扰效应极小。