[发明专利]基于自旋轨道耦合的集成光学双通道折射率传感器

说明书

本发明公开了一种基于自旋轨道耦合的集成光学双通道折射率传感器。包括第一探测器、第二探测器、半导体激光器、传感器探头，半导体激光器位于天线正下方将激光照射在天线阵列，天线阵列产生±1级衍射级次，构成了折射率传感的两个通道，分别利用第一探测器和第二探测器探测两个通道的光强，对比两个通道光强对液体折射率的差异性响应实现折射率的双通道传感。本发明进一步减小双通道光学传感器的尺度的同时，能够有效提高光学传感器的信噪比和抗干扰能力。

技术领域

本发明涉及一种传感器，更具体的涉及一种基于自旋轨道耦合的集成光学双通道折射率传感器。

背景技术

随着现代光学小型化、低功耗的发展趋势，超小型光学传感器作为现代集成光学信息系统的最前端，对整个集成信息系统的性能起着决定性的作用。同时由于超小型光学传感器的抗干扰、点测量、重量轻、功耗低、隐蔽性强等特点，在生物、医药、环境监测、国防等领域都有着重要的应用，也是未来传感器发展的重要趋势之一。目前的光学传感器根据通道个数可分为单通道和双通道，其中双通道光学传感器通过参考臂和测量臂两个测量通道的对比，能够有效减小光源功率漂移及外界震动对传感的影响，提高传感器的信噪比。但目前的双通道传感系统在提高系统的集成度、稳定性、使用寿命，降低成本等方面仍然面临了巨大的挑战和研究潜力。本发明以自旋轨道耦合和光与物质相互作用为基础，提供了一种集成光学双通道折射率传感方法。

发明内容

1、发明目的。

本发明提出了一种基于自旋轨道耦合的集成光学双通道折射率传感器，以解决光源功率漂移或外界震动影响传感器精度的问题。

2、本发明所采用的技术方案。

本发明提出了一种基于自旋轨道耦合的集成光学双通道折射率传感器天线，包括两种纳米金属天线，每行为多个天线，第一/二种纳米金属天线从左到右依次逆(或顺)时针旋转180°/n，n(n≥3)为每种天线在一个周期内的个数；，第一种为棒状天线，第二种为工形结构天线，且上下两种纳米金属天线的长轴相差一定角度。

更进一步，相同结构的纳米金属天线在x方向构成了梯度光栅，梯度光栅的方法能够产生强的自旋轨道耦合使不同的自旋分量发生空间分离，在±1级得到不同的自旋分量。

从而使两个测量通道光强随液体折射率的差异性响应，从而使双通道光强比值随液体折射率增大呈线性变化，实现高集成度的光学双通道折射率传感。两种不同结构的纳米天线构成，两个测量通道，即±1级衍射级次的电场由不同类型纳米金属天线A和B辐射的相同自旋分量叠加而成，两个通道的电场分别表示为：

其中，A和B分别代表两种纳米光学天线的极化强度；[1，±i]分别代表不同自旋分量的基矢，即对应于左/右旋圆偏振；φ_±1分别对应±1级衍射级次两种纳米光学天线辐射场之间的相位差，分别表示为：

φ_-1＝-2θ+Ω(n)

φ₊₁＝2θ+Ω(n)

其中±2θ表示自旋轨道耦合引起的相位差，属于几何相位，它只与上下两行天线之间的夹角θ有关，而Ω(n)表示A/B两种天线辐射场与液体折射率n相关的相位差，属于动力学相位，它是由两种纳米金属天线结构不同使其电场极化对外界环境的不同响应引起的，通过设置参数(A，B，θ)，±1级衍射级次的电场强度随Ω(n)的变化趋势相反。

本发明提出了一种集成光学双通道折射率传感器天线阵列，包括所述的天线周期，按照横向、纵向平行排布。

本发明提出了一种集成光学双通道折射率传感器探头，由刻蚀在二氧化硅衬底上的如上所述的天线或天线阵列构成。