多模态矢量光场的三维空域调控(特邀)

作为表征光具有振动偏向性的本征参量,一直以来偏振都是光场空域调控中重要的研究对象.相较于传统标量光场,具有偏振非均匀分布的矢量光场强调了这种振动偏向性会存在空间差异.早期研究者对矢量光场的调控研究仅限于单个二维平面,主要实现单一偏振参量的模式控制;在此基础上研究人员又对其振幅与相位进行控制,实现了涵盖三个基本调控自由度...     

紧聚焦轴对称矢量光场波前调控及应用

作为光波最重要的本征物理属性之一,光场偏振态在研究光与物质相互作用中占有重要地位。矢量光场的波前调控为其聚焦场提供了更加复杂、更加灵活可控的振幅、相位以及偏振态分布,丰富了光与物质相互作用的手段,为材料表征提供了传统线偏振、圆偏振光场所不可替代的研究方法,具有重要的物理意义和实际应用价值。本文将综述矢量光场最新的研究进展,详细介绍矢量光场的偏振态特性、产生方法,以及紧聚焦轴对称矢量光场波前调控在远场小尺度光斑的产生、磁光记录、单分子/颗粒取向探测、任意三维偏振态的产生、高密度数据存储、信息加密以及矢量光场波前重构等方面的重要应用。     

高效产生任意矢量光场的一种方法

提出一种高效产生任意矢量光场的方法.利用两个光束偏移器分别对两个正交线偏振分量进行分束与合束,将传统激光模式转化为任意矢量光场.所产生矢量光场的偏振态和相位分布通过相位型空间光调制器(SLM)加载相应的相位实时调控.由于光路系统中不涉及任何衍射光学元件和振幅分光元件,光场转换效率高,仅取决于SLM的反射率,并且光路系统结构紧凑、稳定,同轴性易于调节.实验结果显示,采用反射率为79%的相位型SLM产生矢量光场的转换效率可达到58%.     

Ince-Gaussian矢量光场的产生研究

复杂空间结构矢量光场是当前光场调控领域的重要研究内容。作为一类基于椭圆坐标系的本征激光场,Ince-Gaussian(IG)光场比Laguerre-Gaussian和Hermite-Gaussian两类本征光场具有更丰富的空间自由度,是构建复杂空间结构矢量光场的基本光场之一。基于正交偏振IG偶模和奇模的空间叠加理论,通过空间光调制器分离调控偶模和奇模光场,系统地研究了不同阶数下正交偏振IG模式叠加生成的不同空间结构的IG矢量光场。对获取的矢量光场进行分析,并与理论模拟的结果进行对比,验证了并联分离调控产生IG矢量光场的可行性。     

超声多波聚焦及声偏振方向控制方法*

在超声多波聚焦思想的基础上,通过数值模拟计算,分析了时间反转法的多波聚焦特性以及对声场偏振方向进行控制的可行性。结果表明,在待测目标的不同位置处,时间反转法都能够实现多波聚焦的效果,使具有不同传播速度、不同偏振特性的多种声波自适应聚焦。但是,在介质的近表面处,由于受到表面波的影响,多波聚焦声场仍然具有椭圆偏振特性,无法实现声场偏振方向精确控制的目的;而位于介质内部的多波聚焦点受到表面波影响很小,数值计算结果表明此时多波聚焦声场具有线偏振特性,通过改变声源前后两个脉冲的激发幅度和相位,可以控制声场的偏振方向,达到偏振方向扫描的目的。该文的研究为精确检测裂纹方向或界面性质提供一种可能的途径。     

新型矢量光场调控:简介、进展与应用

作为光的一个基本属性,偏振态提供的自由度对光场调控具有重要作用。具有空间结构偏振态分布的矢量光场因其具有不同于传统标量光场的独特性质而被应用于诸多领域,但矢量光场的早期研究主要集中于柱对称的局域线偏振矢量光场。近年来,偏振态分布更加丰富的新型矢量光场逐渐得到关注,这些新型矢量光场的出现丰富了矢量光场的种类并提供了新的调控自由度,被应用于焦场调控、光学微加工、光学微操纵和光信息传输等领域。综述了近年来出现的新型矢量光场,包括柱坐标系中的杂化偏振矢量光场、庞加莱球相关的矢量光场、阵列矢量光场、多奇点矢量光场和其他非柱对称的矢量光场,介绍了其进展、设计方案、实验生成、性质和相关应用。     

基于可调谐复振幅滤波器的超长焦深矢量光场

根据矢量光场衍射积分理论和离散复振幅光瞳滤波原理, 通过一种由双λ/2波片和离散复振幅滤波器组成的可调谐复振幅滤波器, 研究了大数值孔径下超长焦深聚焦矢量光场的构建与调控. 给出了一个六环带区的离散复振幅滤波器, 对入射光场的偏振态、振幅滤波和相位滤波三者进行同步优化, 获得了焦深接近10λ的三维平顶光场; 通过调控双λ/2波片夹角来改变聚焦光场的矢量化结构, 使之在光针场、平顶光场、光管场及中间结构光场之间交替变化. 研究结果揭示了入射光场矢量化结构演化与聚焦光场矢量化结构变换之间的关系, 解决了获取动态的、可调控的超长焦深聚焦光场的问题. 两种基本的聚焦光场光针场、光管场的独自使用或三维平顶光场的调和使用, 将会在光学显微、光学微纳操控以及光学精细加工领域获得重要应用.     

矢量光场与激光焦场定制

概述了矢量光场的基本理论及常见的生成方法,详细介绍了基于空间光调制器的矢量光场生成系统及性能改善方法。回顾了强聚焦下的矢量衍射理论,重点介绍了激光焦场强度分布、偏振指向及自旋指向的定制方法;介绍了定制焦场在显微成像、定向耦合等方面的应用。     

部分偏振部分相干光光栅衍射场的偏振特性和角相关研究

为了研究部分偏振部分相干光光栅衍射场的衍射特性.利用部分偏振部分相干光的光束相干-偏振(BCP)矩阵,推导出了部分偏振部分相干光通过任意偏振光栅后,衍射场的偏振度及场中衍射级次角相关的一般解析表达式.以部分偏振的高斯-谢尔模型光束(PGSM)为例,数值分析了偏振光栅TE和TM波的复振幅透过率、入射光束的光学参量对衍射场偏振度和场中各衍射级次的角相关的影响.计算结果表明,部分相干光透过偏振光栅后的其衍射光场是一非均匀、周期变化的部分偏振相干光场;场中对称级次的角相干值对应相等,且随衍射级次序数的增大而缓慢递减至零.     

三环非均匀混合偏振同轴矢量光束的聚焦特性

基于Richards-Wolf矢量衍射积分公式,数值分析了同轴三环非均匀混合偏振矢量光束经过高数值孔径透镜的聚焦特性。该矢量光束由同轴三环局域线偏振矢量光束通过一个相位延迟角为δ的液晶相位延迟器产生,光束偏振变为包含线偏振、圆偏振和椭圆偏振的混合态。同轴三环局域线偏振矢量光束的偏振分布是由径向向内偏振的外环光束、径向向外偏振的内环光束和线偏振方向与径向方向夹角为φ2的中环光束构成。数值模拟结果显示该混合偏振矢量光束的聚焦强度分布与参数φ2和相位延迟角δ密切相关,当选取适当的φ2和δ时,在焦平面附近产生沿光轴方向的三维多点光俘获结构——暗光链,这在光学微操纵领域具有潜在的应用价值。     

半球形固体浸没透镜显微系统的透射光场研究

应用高数值孔径系统的矢量衍射理论研究了半球形固体浸没透镜(SIL)球面表面的反射对SIL系统透射场的影响.研究结果表明,半球形SIL球面表面的反射对SIL显微系统的透射光强产生很大的影响.然而,这种反射不改变半球形SIL显微系统的分辨率.SIL球面介质界面材料的折射率失配越大,透射光强减小越多.在SIL的球面表面涂上减反膜或者在物镜和SIL之间填充折射率较大（但比SIL的折射率小）的介质可以提高系统的透射光强.     

显微偏振干涉成像光谱仪中景深对系统分辨力的影响

提出了一种基于萨伐尔(Savart)偏光镜双折射晶体进行光谱分光的显微偏振干涉成像光谱仪的创新性原理和方案;从几何光学的角度推导了显微偏振干涉成像光谱仪景深的理论计算公式;给出了景深与光谱分辨力的变化关系,证明了景深的存在使系统光谱分辨力不再唯一确定,而是在一定范围内连续变化;通过计算机模拟分析了景深对系统分辨力的影响。该研究对实现快速实时测量,减少景深对光谱分辨力的影响以及新型偏振干涉成像光谱仪的研究、研制和工程化提供了重要的理论依据和实践指导。     

入射光的偏振特性对反射式近场光学显微镜成像结果的影响

用偶极子-自洽场理论模拟计算了反射式近场光学扫描显微镜中入射光的偏振特性对近场成像结果的影响(包括系统分辨率和相关的成像特性)，并给予了相应的分析和解释。分析计算结果表明，入射光偏振性的选择将影响近场光学显微镜的成像质量。在近场区域，用垂直于样品表面偏振的入射光(即x方向偏振)照明成像将得到优于相应水平偏振(即x方向偏振)的入射光照明的系统分辨率。用x方向偏振的入射光照明时，所得光学图像会发生局部的光强对比度反转。     

内禀退相干下薛定谔猫态光场与原子相互作用系统的场熵演化

通过求解系统的Milburn方程,研究了二能级原子与薛定谔猫态光场相互作用系统中的场熵演化特性.讨论了内禀退相干,光场强度,相干态间的相位角对场熵演化的影响.结果表明: 内禀退相干下,随着时间的演化,场熵振荡逐渐减弱,光场与原子的纠缠度逐渐趋于恒值.并且光场与原子的最大纠缠度值只取决光场强度和相干态间的相位角,与内禀退相干因子无关.光场强度较小时,奇相干态光场与原子的纠缠度最大;偶相干态光场与原子的纠缠度值为最小;Yurke-Stoler相干态光场与原子的纠缠度值介于两者之间. 当内禀退相干因子不变、光场强度较大时,分别处于Yurke-Stoler相干态、偶相干态和奇相干态的光场与原子的纠缠度值趋近于相同.     

内禀退相干下薛定谔猫态光场与原子相互作用系统的场熵演化

通过求解系统的Milburn方程,研究了二能级原子与薛定谔猫态光场相互作用系统中的场熵演化特性.讨论了内禀退相干,光场强度,相干态间的相位角对场熵演化的影响.结果表明: 内禀退相干下,随着时间的演化,场熵振荡逐渐减弱,光场与原子的纠缠度逐渐趋于恒值.并且光场与原子的最大纠缠度值只取决光场强度和相干态间的相位角,与内禀退相干因子无关.光场强度较小时,奇相干态光场与原子的纠缠度最大;偶相干态光场与原子的纠缠度值为最小;Yurke-Stoler相干态光场与原子的纠缠度值介于两者之间. 当内禀退相干因子不变、光场强度较大时,分别处于Yurke-Stoler相干态、偶相干态和奇相干态的光场与原子的纠缠度值趋近于相同.     

利用傅里叶模方法分析厚层光刻胶内衍射光场

建立了描述厚层光刻胶内衍射光场形成过程的物理模型,并利用傅里叶模方法模拟计算和分析了其内部衍射光场分布。该方法考虑了其界面反射、透射及光刻胶复折射率在空间上的缓慢变化对衍射光场的影响,采用该方法模拟光刻胶内衍射光场具有数值计算结果准确、计算速度快的优点。对厚层光刻胶折射率在几种特殊分布情况下衍射光场分布的数值模拟表明,衍射光场与其复折射率的空间分布有关。由于厚层光刻胶折射率在空间上呈缓慢变化的特点,为降低其数值计算量和编程难度,可以将厚层光刻胶近似为折射率随曝光时间变化的光栅。     

Control of spontaneous emission spectra via an external coherent magnetic field in a cycle-configuration atomic medium

We theoretically study the features of the spontaneous emission spectra in a coherently driven cold four-level atomic system with a cyclic configuration. It is shown that a few interesting phenomena such as spectral-line narrowing, spectral-line enhancement, and spectral-line suppression can be realized in our system. Interestingly enough, the spectral-line enhancement and suppression can be controlled just by appropriately modulating the phase, the frequency, and the intensity of an external coherent magnetic field, respectively. This investigation may find applications in high-precision spectroscopy. An erratum to this article is available at .     

Absorption and dispersion by a multiple driven two-level atom

We investigate the absorption and dispersion properties of a two-level atom driven by a polychromatic field. The driving field is composed of a strong resonant (carrier) frequency component and a large number of symmetrically detuned sideband fields (modulators). A rapid increase in the absorption at the central frequency and the collapse of the response of the system from multiple frequencies to a single frequency are predicted to occur when the Rabi frequency of the modulating fields is equal to the Rabi frequency of the carrier field. These are manifestations of the undressing or a disentanglement of the atomic and driving field states, that leads to a collapse of the atom to its ground state. Our calculation permits consideration of the question of the undressing of the driven atom by a multiple-modulated field and the predicted spectra offer a method of observing undressing. Moreover, we find that the absorption and dispersion spectra split into multiplets whose structures depend on the Rabi frequency of the modulating fields. The spectral features can jump between different resonance frequencies by changing the Rabi frequency of the modulating fields or their initial phases, which can have potential applications as a quantum frequency filter. Received 23 October 2001 and Received in final form 31 January 2002