少周期飞秒准径向偏振光的超快瞬变聚焦矢量场

研究了基于腔外螺旋相位调制获取高峰值功率飞秒准径向偏振光的方法,结果表明该方法所产生的并非完全纯净的径向偏振光,其径向分量决定了聚焦后纵场的分布,而径向和角向分量共同影响了横场的分布.根据Richard-Wolf矢量衍射理论模拟得到不同纯度下的少周期飞秒准径向偏振光在焦点附近的电场的时空矢量分布,发现其具有中心对称和震荡衰减特点,载波包络相位将对聚焦场的矢量时空分布产生显著影响,从而对飞秒脉冲与电子在聚焦场中的相互作用产生影响.研究结果可为进一步的激光粒子加速分析以及偏振转换器的设计提供依据.     

径向偏振光三维超分辨衍射光学元件设计

针对径向偏振光入射,设计了三维超分辨衍射光学元件。对径向偏振光大数值孔径聚焦特性的分析表明,纵向分量是影响聚焦主瓣的三维光强分布的主要因素。仅考虑径向偏振光聚焦场的纵向分量,沿用线偏振光入射时三维超分辨衍射光学元件的全局优化方法,利用线性规划设计了三维超分辨的0,π结构的纯相位元件。考虑径向偏振光聚焦场的径向和纵向分量,计算了三维超分辨性能。与线偏振光的性能对比表明,尽管仅考虑聚焦场纵向分量设计的衍射光学元件不是全局最优解,但其三维超分辨性能明显优于线偏振光,证明了仅考虑径向偏振光聚焦场的纵向分量进行三维超分辨衍射光学元件优化的有效性。     

离轴矢量光束的紧聚焦特性

基于理查德-沃尔夫矢量衍射积分理论,数值研究了离轴矢量光束经过高数值孔径透镜后的紧聚焦特性.通过对比分析偏振奇点离轴的径向、角向矢量光束紧聚焦后,焦点附近的强度和相位分布规律,提出了一种由广义柱矢量光束设计紧聚焦场的方法.此外,通过分析矢量光束自旋分量的聚焦行为和自旋轨道耦合所诱导的自旋角动量分布变化,讨论了偏振奇点离轴对称破缺对高阶矢量光束紧聚焦场空间结构,特别是其自旋角动量空间分布的影响.该研究结果不仅对矢量光场的紧聚焦特性进行了补充,也为改进和完善焦场分布提供了理论参考.     

少周期飞秒径向偏振脉冲聚焦特性仿真

建立聚焦数值模型,分析少周期径向偏振光聚焦光场的强度以及电场矢量方向周期性变化规律,对比无啁啾少周期径向偏振光脉冲及连续光束聚焦光场的时空电矢量及强度分布.结果表明,光强从聚焦光斑中心处向四周迅速减小且振动方向周期性变化;在相同能量下,相比于连续光,脉冲光的聚焦光斑更小,峰值功率更强;通过控制光程,无啁啾少周期径向偏振光束聚焦场的前向电场强于后向电场,适合于激光电子直接加速.该结果对指导利用少周期径向偏振光进行激光电子直接加速的方案设计及超快显微成像和超快探测具有参考意义.     

少周期飞秒径向偏振脉冲聚焦特性仿真（英文）

建立聚焦数值模型,分析少周期径向偏振光聚焦光场的强度以及电场矢量方向周期性变化规律,对比无啁啾少周期径向偏振光脉冲及连续光束聚焦光场的时空电矢量及强度分布.结果表明,光强从聚焦光斑中心处向四周迅速减小且振动方向周期性变化;在相同能量下,相比于连续光,脉冲光的聚焦光斑更小,峰值功率更强;通过控制光程,无啁啾少周期径向偏振光束聚焦场的前向电场强于后向电场,适合于激光电子直接加速.该结果对指导利用少周期径向偏振光进行激光电子直接加速的方案设计及超快显微成像和超快探测具有参考意义.     

大数值孔径光子筛偏振特性研究

根据角谱理论建立不同偏振照明条件下的光子筛矢量衍射模型。在此基础上,对入射光分别为线偏振光、径向偏振光、切向偏振光三种特殊偏振状态下的光子筛聚焦光强分布进行了模拟分析。研究结果表明,对于大数值孔径光子筛,入射光的偏振特性将对光子筛聚焦光强分布产生巨大影响。线偏振光将使聚焦光斑沿偏振方向拉伸,切向偏振光产生的聚焦光斑具有"中空"结构,而径向偏振光所产生的聚焦光斑呈较为规则的圆形,且其焦深优于线偏照明情况。在激光直写及高分辨成像等光子筛典型应用中采用径向偏振照明将进一步提高系统分辨力。     

非均匀螺旋相位调制下对称破缺角向偏振光束的聚焦特性

提出了一种多参量调控角向偏振光束焦场强度和横向能流的方法.基于矢量衍射积分理论,数值模拟了非均匀螺旋相位和旋转对称振幅挡板调制下角向偏振光束的聚焦特性,讨论了螺旋相位结构和对称振幅挡板联合调制下,角向偏振光束焦场横向能流和偏振态的分布.结果表明:非均匀螺旋相位的引入改变了光场的聚焦特性,导致聚焦场重心产生了偏移;在偶数重旋转对称振幅挡板的联合调制下,焦场中出现了局部的椭圆偏振态和圆偏振态,且焦平面上出现了横向能流;通过调节螺旋相位,不仅可以实现焦场重心的特殊控制,还能进一步丰富焦场偏振态和横向能流分布.这种基于多参量调控焦场强度和能流分布的方法为实现操控特定区域的粒子提供了新的思路.     

角向偏振涡旋光的紧聚焦特性研究以及超长超分辨光针的实现

系统研究了角向矢量涡旋光的紧聚焦焦斑特性,解释了焦平面自旋角动量局域化分布的形成原因.角向矢量涡旋光可分解为左、右旋圆偏振电场叠加,将分解所得的左、右旋分量分别经大数值孔径透镜聚焦,总聚焦电场可视为左、右旋分量聚焦电场的干涉叠加.经分析研究后发现,左、右旋分量各自聚焦电场的纵向分量大小相等、相位相反,完全干涉相消,使得总聚焦电场的纵向分量消失;而各自聚焦电场的横向分量则完全相反,几乎不发生干涉,总聚焦电场表现为非相干叠加.角向偏振光引入涡旋相位后,使得左、右旋电场分量的轨道角动量的拓扑荷数发生变化,拓扑荷数的绝对值不再相等,而是恒定差值为2.因此左、右旋电场的横向分量由于携带不同的拓扑荷数,分别聚在焦平面的不同位置,而横向分量发生非相干叠加,不相互影响,最终形成了总电场偏振态的局域化分布,即自旋角动量局域化分布的现象.随后,本文横向对比了1阶角向矢量涡旋光和径向偏振矢量光的超分辨焦斑特性,分析了各自的优、缺点以及影响焦斑尺寸的因素.最后,兼顾了超分辨光针的性能和实际实现难度,设计了6环带的二元相位板对1阶角向矢量涡旋光进行了波前调制,实现了横向半高全宽为0.391λ,纵向半高全宽为25...     

轴对称矢量光束聚焦特性研究现状及其应用

轴对称矢量光束是一种空间非均匀偏振光束, 中心光强为零, 经物镜聚焦后能在焦点附近产生空间场分量. 在高变迹系数光学系统成像情况下, 与线偏光、圆偏光相比, 径向偏振光与光瞳滤波技术及图像复原技术结合, 能获得较小焦斑, 提高横向分辨力. 介绍了轴对称矢量光束的特性, 基于电偶极子辐射模型和矢量衍射理论研究了轴对称矢量光束经高数值孔径物镜聚焦后的特性, 系统介绍了基于轴对称矢量光束实现光斑紧聚焦的几种方法, 并简述了轴对称矢量光束在差动共焦超分辨成像领域的研究设想. 关键词： 差动共焦显微技术 紧聚焦 光瞳滤波 轴对称矢量光束     

飞秒径向偏振光紧聚焦实验

以飞秒激光器为光源,搭建记录测量聚焦光斑的光学实验系统,研究飞秒径向偏振光紧聚焦特性.数值模拟表明当物镜数值孔径为0.9,波长为750 nm时,线偏振光和径向偏振光焦斑的最小半高全宽分别是1.3 μm和1.0 μm.实验中,使用全息干板作为记录介质,记录和测量微小的聚焦光斑,并通过精密电动平移台实现几十纳米量级步长的移动,获得精确焦平面处的聚焦光斑.测量结果表明,线偏振光和径向偏振光焦斑的最小半高全宽分别是4.6 μm和2.9 μm.在高数值孔径聚焦条件下,径向偏振光可以获得比线偏振光更细锐的聚焦光斑.     

飞秒径向偏振光紧聚焦实验（英文）

以飞秒激光器为光源,搭建记录测量聚焦光斑的光学实验系统,研究飞秒径向偏振光紧聚焦特性.数值模拟表明当物镜数值孔径为0.9,波长为750nm时,线偏振光和径向偏振光焦斑的最小半高全宽分别是1.3μm和1.0μm.实验中,使用全息干板作为记录介质,记录和测量微小的聚焦光斑,并通过精密电动平移台实现几十纳米量级步长的移动,获得精确焦平面处的聚焦光斑.测量结果表明,线偏振光和径向偏振光焦斑的最小半高全宽分别是4.6μm和2.9μm.在高数值孔径聚焦条件下,径向偏振光可以获得比线偏振光更细锐的聚焦光斑.     

初级球差对椭圆偏振涡旋光束深聚焦场的影响

研究了椭圆偏振涡旋光束经过具有初级球差的高数值孔径透镜的聚焦特性。基于德拜矢量积分理论,获得了椭圆偏振涡旋贝塞尔-高斯光束经过具有初级球差的高数值孔径透镜后的复振幅的分布函数,根据数值模拟的结果,分析了不同的初级球差系数对右旋椭圆偏振光束和左旋椭圆偏振光束聚焦场光强分布和相位分布的影响。结果表明,随着初级球差系数的增加,椭圆偏振涡旋光束的强度会变小,空心的尺寸会变大;右旋椭圆偏振光纵向分量的相位分布呈现螺旋结构,而且右旋椭圆偏振光和左旋椭圆偏振光的位错线半径会逐渐增大;会聚点逐渐偏离焦平面,纵向光场发生改变。     

非傍轴矢量径向偏振光束的圆孔衍射分析

本刊讯光束的矢量特性在光学检测、显微镜技术、光存储、光通讯以及激光加工等领域的作用已经进行了广泛的研究。然而这些工作大部分仅限于空间均匀的偏振光束,例如线偏振、圆偏振和椭圆偏振。2001年Gori基于琼斯矢量提出了一类非均匀偏振光束,圆柱偏振光束是其中一种特殊的非均匀偏振结构,径向偏振与角向偏振是圆柱偏振的两个本征偏振态。径向偏振光束具有轴对称的电场矢量结构和中空的环状强度分布,它经高数值孔径透镜聚焦后能够产生强度更大的电场纵向分量。     

椭圆环光阑对径向偏振光聚焦研究的影响

柱坐标下的径向偏振矢量光束在被高数值孔径透镜聚焦时,在紧聚焦条件下相比线偏振和圆偏振光束通过透镜后能获得较小的聚焦斑。在聚焦透镜前加上椭圆环光阑后能强化在聚焦区域内的光场轴向分量,能在单一方向上进一步缩小聚焦斑的尺寸。研究了径向偏振矢量光束经过椭圆环形光阑后的聚焦特性,在聚焦区域径向偏振分量形成两个聚焦瓣,而轴向分量形成椭圆形的聚焦斑,并做了相应的物理解释。当增加椭圆环形光阑内环半径时,径向偏振分量的聚焦瓣和轴向分量的聚焦斑单一方向聚焦尺寸均可小于光波长的三分之一,当进一步提高椭圆环形光阑内环半径时,由于通光量减少和衍射效应,不能得到更小的聚焦尺寸。研究结果对于提高激光扫描显微镜的单向分辨率具有重要意义。     

4π聚焦系统中衍射光学元件对聚焦场多光球结构的影响

主要研究了调制入射光场的衍射光学元件(DOE)对聚焦场的影响.以贝塞尔高斯光束为例,利用Richards-Wolf矢量衍射积分理论,分析几种不同DOE结构调制的径向偏振光束的4 π聚焦场.数值模拟结果表明径向偏振光束经DOE调制后的4π聚焦,在焦平面附近形成了具有潜在应用价值的多光球结构,并且发现形成的光球的个数与DOE的环数有关,而DOE的透射函数对其影响较小,且所形成光球的个数会随着DOE结构环数的增加而增加.     

强聚焦混合偏振矢量光束在瑞利粒子上产生的辐射力

理论研究了强聚焦混合偏振矢量光束作用在瑞利粒子的辐射力,推导出混合偏振矢量光束深聚焦在焦平面处产生辐射力的计算表达式,数值模拟了焦平面附近轴向光束强度分布及数值孔径与径向系数对辐射力分布的影响.结果表明,强聚焦混合偏振矢量光束深聚焦后在焦平面附近产生的辐射力在一定情况下能够实现对瑞利粒子的三维捕获,并且受数值孔径和径向系数的影响,其中径向系数影响较为明显.大量数据整合结果表明当径向系数大于3时,才能实现与光阑数值孔径相匹配,完成对焦平面附近瑞利粒子的三维捕获.     

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。     

用弧形波晶片产生矢量光束及其强聚焦的特性研究

提出了产生轴对称矢量光束的新方案, 根据晶体的双折射性质设计波晶片, 形成o光和e光相位板, 能够把线偏振光转换为具有旋转对称性的径向或角向矢量空心光束, 光路简单, 调节方便. 应用Richards-Wolf的经典矢量衍射模型, 分析计算了空心高斯光束照明、高数值孔径透镜聚焦条件下所产生的衍射光波电磁场分布, 结果表明: 用功率为0.5 W的激光照明, 所获得的矢量空心光束具有很高的光强、光强梯度和很强的纵向电磁场分布, 同时还能产生可实时调控的光子角动量分布, 方案在微观粒子的操控方面有很好的应用前景.     

非均匀关联径向偏振部分相干光的产生

从理论和实验两方面对非均匀关联径向偏振部分相干光的产生进行了研究.理论上,基于相位关联与相干度的联系,推导出了非均匀关联径向偏振部分相干光的2×2阶交叉谱密度矩阵及相干度分布.实验上,利用一个相位型液晶空间光调制器的不同区域,对入射的完全相干的径向偏振光的两个正交偏振分量分别加载随机相位调制,并实验测量了这种光束的相干度分布及其对光强分布的影响.实验结果验证了光束相干度的非均匀关联结构,并且通过改变随机相位的高斯调制半宽可以改变光束的相干性分布.研究表明,随着随机相位的高斯调制半宽的增加,光束中两点间的相干度逐渐减小,其光强分布由圆环状逐渐变化为类平顶的光强分布.这种非均匀关联的径向偏振部分相干光在激光微操纵和材料加工等领域具有一定的潜在应用价值.     

基于偏振光相位调制的超衍射极限空间结构光研究

具有超衍射极限尺寸的空间结构光在远场超分辨成像、光镊、微纳米加工等领域都有着重要的应用.本文基于偏振光的相位调制原理,结合光学实验与光场数值模拟开展了在空间生成具有超衍射极限尺寸的空间结构光的研究.首先设计了一种兼备圆形π与涡旋形2π相位板特点的新型相位板,并且实验观察到了高数值孔径系统中新型相位板调制圆偏振高斯光的焦点处的空间结构光形貌.随后通过结合矢量衍射积分理论的数值模拟,得出了一种具有超衍射极限尺寸、且同时呈现中心对称与轴对称的空间结构光.最后,本文详细讨论分析了新型相位板调制圆偏振光、线偏振光、径向偏振光以及角向偏振光所获得的空间结构光分布特点.结果显示,圆、线、径向与角向偏振条件下得到的空间结构光横向最小暗斑的半高全宽分别为0.31λ,0.32λ,0.24λ和0.36λ;在光轴上,线、径向与角向偏振光情况下的中心暗斑的半高全宽分别为0.8λ,0.78λ,0.76λ,而圆偏振光在轴向方向没有电矢量分布.