具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

本发明的一种基于光场霍尔效应及轨道角动量谱的气体或溶液浓度测量方法，使用具有特定偏振态的涡旋光束以一定的角度(接近布儒斯特角)入射到由待测气体或溶液构成的反射面，测量反射光场强分布，并计算其轨道角动量谱。当携带有轨道角动量的涡旋光束发生部分反射时，由于轨道霍尔效应反射光场强分布将发生变化，且反射光场强分布与构成反射面的气体或液体的浓度有关，不同浓度气体或液体反射的涡旋光束具有不同的场强分布以及轨道角动量谱，由反射涡旋光束场强分布的轨道角动量谱即可反推出待测气体或液体的浓度。

入射涡旋光的角谱为：

其中，为琼斯矢量，k为真空中的波数，w₀为束腰半径，l为拓扑荷数，k_ix,k_iy分别为入射光沿和方向的空间频率，C_l＝(2/(π|l|！))^1/2为归一化常数。通过反射光场与入射光场角谱关系式可得反射光角谱表达式为：

其中，θ_i为入射角,r_p和r_s分别为水平和垂直偏振的菲涅尔反射系数，k_rx,k_ry分别为反射光沿和方向的空间频率：k_rx＝-k_ix,k_ry＝k_iy。以琼斯矢量的涡旋光束为例，取束腰半径w₀为155μm，波长λ为632.8nm，拓扑荷数l＝5，第一介质折射率n₁＝1，入射角度为折射率n₁和n₂分别为1和1.5时的布儒斯特角θ_B。图2为入射角为θ_B时不同折射率n₂下反射光场强分布图， (a)、(b)、(c)、(d)分别为第二介质折射率n₂＝1.50、1.51、1.52、1.53时反射光场强分布。

通过螺旋谐波可以对任意光场v(x,y,z)进行展开：

c_l＝|a_l|/a_total

c_l即为光场轨道角动量谱，其中为方位角。根据螺旋谐波展开法进行仿真得到反射光场强分布轨道角动量谱与第二介质折射率n₂之间关系如图3。在测量气体或溶液浓度之前，我们需要提前建立一个关于待测气体或溶液浓度与折射率之间关系的数据库。根据测量所得反射光轨道角动量谱及反射光轨道角动量谱与反射面材料折射率之间关系可得到待测气体或溶液折射率，再根据待测气体或溶液折射率与浓度之间关系即可获得待测气体或溶液浓度。外界振动所引起反射光场沿x_r或y_r方向横向位移dxr、dyr＝10nm、100nm、1000nm对反射光场轨道角动量谱与第二介质折射率n₂之间关系曲线的影响如图4，实线表示反射光无横向位移下的关系曲线，点画线表示反射光横向位移dxr、dyr后的关系曲线，反射光横向位移前后的关系曲线几乎重合。由于一般的具有振动隔离系统的光学平台可以将外界振动控制在100nm以内，所以外界振动对反射光场强分布的轨道角动量谱造成的干扰非常微弱，说明本文所提精密光学测量方法具有较强抗干扰能力。

如图5、6分别为本文提出的用于测量气体或溶液浓度的装置示意图。图5 和图6中透镜1、2用于扩束准直，叉形光栅用于产生涡旋光束，半波片用于旋转偏振方向，透镜3用于聚焦并使聚焦后光束束腰落在反射面上。图5中玻璃为置于待测气体中的折射率已知的玻璃，图6中溶液为待测溶液。氦氖激光器产生的激光为高斯光束，高斯光束经过透镜1、2后被准直扩束，然后通过偏振分光棱镜产生线偏振高斯光。线偏振高斯光束经过叉形光栅反射后产生线偏振涡旋光束，所产生的线偏振涡旋光束通过半波片后产生所需的特定偏振态涡旋光束。特定偏振态涡旋光束经透镜3聚焦后照射到待测气体或溶液构成的反射面， CCD相机测得反射光场强分布后通过计算机计算反射光轨道角动量谱。通过反射光轨道角动量谱与待测气体或溶液折射率之间的关系曲线可获得待测溶液折射率，再通过已建立的关于待测气体或溶液折射率与浓度之间的关系的数据库即可获得待测气体或溶液的浓度。

本发明提出了一种基于光场霍尔效应及轨道角动量谱的气体或溶液浓度测量方法，通过数值仿真验证了其在测量气体或溶液浓度方面的有效性。特定偏振态涡旋光束入射到由待测气体或溶液构成的反射面时，不同浓度气体或溶液下反射光场强分布及其轨道角动量谱不同，根据反射光场强分布轨道角动量谱与待测气体或溶液浓度之间关系即可获得待测气体或溶液浓度。本发明所提出的精密光学测量方法具有结构简单，灵敏度高，响应速度快，成本低以及抗干扰能力强等特点，在精密光学测量领域具有广泛应用价值。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。