本發(fā)明涉及光自旋霍爾效應(yīng)調(diào)控，尤其涉及基于vo2薄膜的熱光調(diào)控光自旋霍爾效應(yīng)的驗證方法。

背景技術(shù)：

1、隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，社會對于智能材料的需求日益增加。智能材料具有響應(yīng)外界刺激并表現(xiàn)出特殊性能的能力，因此備受關(guān)注。在眾多智能材料中，熱致變色材料因其獨特的特性而引起廣泛研究。這類材料在受到溫度變化的刺激時能夠發(fā)生結(jié)構(gòu)或性質(zhì)上的改變，從而呈現(xiàn)出不同的電學(xué)或光學(xué)特性，此特性使得熱致變色材料在諸如智能窗、溫度傳感器、光學(xué)開關(guān)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。

2、釩是一種多價過渡金屬元素，能夠形成多種不同的氧化物。其中，vo2具有多種晶型，在電場、激光、應(yīng)力以及溫度條件下，vo2的晶型可以相互轉(zhuǎn)化。morin在1959年發(fā)表論文表明，vo2在超過68℃后會發(fā)生金屬絕緣體相變(metal–insulator?transition,mit)，且這種變化是可逆的，vo2自此受到廣泛關(guān)注。vo2的mit變化時間很短，通常在10-12s之內(nèi)，且vo2發(fā)生mit之后，不僅晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，其光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)也會發(fā)生巨大變化。

3、具體來說，當(dāng)vo2所處環(huán)境溫度高于相變臨界溫度時，其晶體結(jié)構(gòu)四方金紅石相，即r相。此時在一個八面體單元結(jié)構(gòu)中，體心和頂點位置均為v4+原子，每個v4+原子與周圍6個o2-離子鍵合，相鄰最近的v-v原子之間的距離約為在這一狀態(tài)下，所有的金屬v原子共享v原子中的d軌道電子，電導(dǎo)率約為10-6ω·m，表現(xiàn)為金屬態(tài)。

4、當(dāng)vo2所處環(huán)境溫度低于相變臨界溫度時，其晶體結(jié)構(gòu)為單斜晶相，即m相。此時vo2的晶軸長度變長，v原子偏離頂點位置，晶體結(jié)構(gòu)從高對稱性的四方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛯ΨQ性的單斜結(jié)構(gòu)，宏觀上表現(xiàn)為一種扭曲的金紅石晶體結(jié)構(gòu)，m相vo2的晶胞體積是r相的兩倍。在這種情況下，v原子間的二度聚合導(dǎo)致v-v原子形成一種長短交替的鋸齒狀結(jié)構(gòu)，最近的v原子之間的v-v距離分別為和d軌道電子被束縛在二聚體內(nèi)，電阻率大約為0.1ω·m，使vo2(m)呈現(xiàn)出絕緣體性質(zhì)。

5、vo2因其獨特的熱致相變特性而備受關(guān)注，且由于其相變溫度約為68℃，這一特性使得vo2在相對較低的溫度下即可發(fā)生相變，因而成為了廣泛研究的熱致相變材料之一，同樣使基于vo2薄膜的熱光調(diào)控光自旋霍爾效應(yīng)成為可能。

6、同時，光自旋霍爾效應(yīng)作為一種典型的光學(xué)現(xiàn)象，對材料光學(xué)性質(zhì)的變化十分敏感。熱光光自旋霍爾效應(yīng)就是利用材料的熱光效應(yīng)，通過改變溫度使其光學(xué)性質(zhì)如介電常數(shù)等發(fā)生變化，以實現(xiàn)對光自旋霍爾效應(yīng)位移的調(diào)控。但是目前缺少基于vo2薄膜的熱光調(diào)控光自旋霍爾效應(yīng)的研究報道。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決上述問題，本發(fā)明提供一種基于vo2薄膜的熱光調(diào)控光自旋霍爾效應(yīng)的驗證方法，通過仿真、實驗交叉驗證了熱光調(diào)控光自旋霍爾效應(yīng)，為利用熱致相變材料調(diào)控光學(xué)性質(zhì)提供了新的途徑。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了基于vo2薄膜的熱光調(diào)控光自旋霍爾效應(yīng)的驗證方法，包括以下步驟：

3、s1、仿真實驗驗證：

4、s11、制備vo2薄膜樣品；

5、s12、根據(jù)斯涅爾定律，建立光束在介質(zhì)中的傳播模型，求解vo2薄膜樣品的反射系數(shù)；

6、s13、根據(jù)幾何光學(xué)原理，求解相變前后vo2薄膜樣品表面光自旋霍爾效應(yīng)的橫移值；

7、s2、實驗驗證：

8、s21、搭建實驗平臺：沿光傳播的方向依次布置he-ne激光器、半波片、短焦透鏡、第一格蘭激光偏振器、vo2薄膜樣品、第二格蘭激光偏振器、長焦距透鏡、ccd相機(jī)，并在vo2薄膜樣品底端安裝加熱器，同時將ccd相機(jī)與計算機(jī)連接；

9、s22、預(yù)熱后，設(shè)定此時的光斑質(zhì)心位置為初始位置；

10、s23、利用加熱器對vo2薄膜樣品進(jìn)行升溫實驗，繪制了光斑質(zhì)心位置隨溫度變化的曲線，并將光斑質(zhì)心移動作為光自旋霍爾效應(yīng)的橫移值；

11、s3、交叉驗證：對比步驟s13和步驟s23結(jié)果，判斷利用溫度調(diào)控vo2薄膜的光自旋霍爾效應(yīng)的可行性。

12、優(yōu)選的，步驟s11所述的vo2薄膜樣品包括vo2薄膜和位于vo2薄膜底端的藍(lán)寶石襯底。

13、優(yōu)選的，步驟s12具體包括以下步驟：

14、s121、設(shè)定入射波長為633nm的激光光束，根據(jù)斯涅爾定律，將s波和p波的菲尼爾反射系數(shù)分別表示為：

15、

16、式中，表示空氣與vo2薄膜交界面的s偏振光的菲尼爾反射系數(shù)；表示空氣與vo2薄膜交界面的p偏振光的菲尼爾反射系數(shù)；表示vo2薄膜與藍(lán)寶石襯底交界面的s偏振光的菲尼爾反射系數(shù)；表示vo2薄膜與藍(lán)寶石襯底交界面的p偏振光的菲尼爾反射系數(shù)；n1表示空氣的折射率；n2表示vo2薄膜的折射率；n3表示藍(lán)寶石襯底的折射率；θj(j＝1,2,3)分別表示光束在進(jìn)入不同介質(zhì)層時的角度；

17、s122、推導(dǎo)求得vo2薄膜樣品的s偏振光菲尼爾反射系數(shù)rs與p偏振光菲尼爾反射系數(shù)rp：

18、

19、式中，δ表示光束穿過vo2薄膜所產(chǎn)生的光程差：

20、

21、式中，λ0表示自由空間波長，d表示vo2薄膜厚度。

22、優(yōu)選的，在步驟s13中，利用幾何光學(xué)原理，建立光束自旋分量的橫向位移δw的數(shù)值計算模型：

23、

24、式中，δ表示放大角；k0表示入射光波矢；zr表示瑞利距離。

25、優(yōu)選的，步驟s21所述的加熱器為固定于實心棱鏡上的加熱電極。

26、優(yōu)選的，步驟s22具體包括以下步驟：

27、s221、在實驗開始前，對vo2薄膜樣品進(jìn)行預(yù)熱，調(diào)節(jié)加熱器溫度為30℃，并在此狀態(tài)下維持10分鐘，使vo2薄膜樣品溫度保持在30℃，以保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)；

28、s222、打開he-ne激光器光源，發(fā)射632.8nm激光束；

29、s223、調(diào)節(jié)半波片，使光強(qiáng)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)定要求，再調(diào)節(jié)第一格蘭激光偏振器和第二格蘭激光偏振器，直至在與ccd連接的計算機(jī)屏幕上觀察到兩個均勻分布的光斑，在光斑均勻分布的狀態(tài)下，整個光場的質(zhì)心等同于光斑分布質(zhì)心，將此時的光斑位置定為初始狀態(tài)，設(shè)定此時光自旋霍爾效應(yīng)的橫移值為0，質(zhì)心位置的移動作為光自旋霍爾效應(yīng)的橫移值，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行升溫實驗。

30、優(yōu)選的，步驟s23具體包括以下步驟：

31、s231、每間隔10℃進(jìn)行加熱，每當(dāng)加熱器顯示達(dá)到設(shè)定溫度后，等待5分鐘，并用測溫槍測量vo2薄膜樣品表面溫度，同時記錄光斑質(zhì)心位置；

32、s232、當(dāng)vo2薄膜樣品表面溫度達(dá)到60℃后，可將升溫間隔調(diào)整為2℃，每當(dāng)加熱器顯示達(dá)到設(shè)定溫度后，等待5分鐘，并用測溫槍測量vo2薄膜樣品表面溫度，同時記錄光斑質(zhì)心位置；

33、s233、達(dá)到相變溫度，繼續(xù)加熱，并記錄光斑質(zhì)心位置；

34、s234、達(dá)到設(shè)定加熱溫度后，停止加熱，使得vo2薄膜樣品，并在冷卻過程中記錄光斑質(zhì)心位置。

35、本發(fā)明具有以下有益效果：

36、1、通過仿真、實驗交叉驗證了熱光調(diào)控光自旋霍爾效應(yīng)，為利用熱致相變材料調(diào)控光學(xué)性質(zhì)提供了新的途徑；

37、2、利用vo2薄膜相變前后復(fù)折射率的變化對光自旋霍爾效應(yīng)進(jìn)行調(diào)控，光束自旋橫移在相變前后產(chǎn)生明顯變化，同時在溫度變化過程中，自旋橫移也會發(fā)生改變，有效實現(xiàn)溫度對光自旋霍爾效應(yīng)的調(diào)控；

38、3、可以利用光自旋橫移的變化來表征材料的相變，可以作為一種無直接接觸、靈敏度高的新型光學(xué)檢測手段。

39、下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。