基于Metasurface的柱矢量光束的产生

本文提出了一种基于Metasurface产生任意柱矢量光束的方法.采用的Metasurface是在熔融石英上刻蚀空间变化的非周期光栅构成.非周期光栅会形成空变的有效双折射,从而对光场的偏振态空间分布进行调制.通过琼斯矩阵的方法分析得出这样的Metasurface可以将入射线偏振光转换为柱矢量光束,并且只需要改变入射线偏振光的偏振方向即可获得高阶庞加莱球赤道上任意一点的柱矢量光束.最后,用Metasurface搭建了一套简单、高效的柱矢量光束产生系统,实验结果与理论分析一致.     

偏光器件的Jones矩阵研究

利用Jones矩阵分析了双λ/4波片对正入射线偏振光的复合效应,结果表明:当入射线偏振光光矢量与第一只λ/4波片的快(慢)轴方向成π/4角时,出射线偏振光光矢量相对入射光光矢量转过的角度只与第二只λ/4波片的快轴与入射光光矢量方向的夹角有关;分析研究了线偏振元件的Jones矩阵,给出了判断偏振态和获得左、右旋圆(或椭圆)偏振光的方法。     

基于亚波长偏振光栅的偏振光分束器设计

利用琼斯矩阵和矢量傅里叶系数方法分析了二元亚波长偏振光栅的偏振特性和衍射效率,并给出了相应的数学解析式.研究发现,通过入射光的偏振可以控制不同衍射输出级的偏振态,且0级输入偏振态与输出偏振态始终相同,而其它级次除线偏光外都与入射偏振态相反.当二元亚波长偏振光栅的位相延迟分别设置为0.62π和π时,可以将二元亚波长偏振光栅设计为1→3或1→2的偏振光分束器,且分束器具有衍射效率高、宽带宽、对入射角的变化不甚敏感的特点.     

正交偏振干涉的矢量光场分析和检测

在大学物理中,光的干涉和衍射现象是描述光的粒子性和波动性非常常见的内容。那么光的干涉需满足相干条件,即两束光具有相同的偏振态、相同的频率和固定的相位差。因此,在标量衍射理论中,完全正交偏振的光不能够发生干涉现象。为拓展和探究正交偏振态下两束光相遇时光场的矢量变化,本文构建了基于马赫-曾德尔配置的正交偏振光(即正交线偏振和正交圆偏振)相干涉而产生的光场,利用检偏器检测光场的矢量特征及条纹分布情况。结果表明正交偏振光相干涉产生了周期性的矢量光场。该研究能够帮助学生更加直观的掌握波片及偏振片调制不同偏振态的光束并实现矢量光场的检测和分析。     

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.     

傍轴光束在单轴左手介质中传输的矢量性质

研究了沿光轴入射的傍轴光束在单轴左手介质中传输的矢量性质.通过平面角谱的方法得到了横电(TE)波和横磁(TM)波在单轴左手介质中传输的严格解，并得到了傍轴近似下的矢量传输模型.利用这一模型，分析得到垂直于光轴方向不同偏振态的入射光束在单轴左手介质中同时激发横向场和低阶纵向场.如果单轴左手介质的介电常数张量在沿垂直于光轴方向上的元素不相等，同时磁导率张量在沿垂直于光轴方向上的两元素也不相等(即z方向为光轴方向，_x≠_y,μ_x≠μ_y),那么入射光束激发的横向场的分布与入射光束的初始场分布和偏振态有关，而纵向场的分布与入射光束的偏振态无关，只决定于入射光束的初始场分布. 关键词： 傍轴传输 单轴左手介质 矢量效应     

柱矢量光束在透射时的自旋霍尔效应

有限光束矢量特性可以由全局化的特征单位矢量和广义琼斯矢量完整地描述,特征单位矢量平行于传播轴的光束为柱矢量光束。通过这种表示理论描述了在近轴近似条件下柱矢量光束的透射情况。在透射过程中光束的特征单位矢量发生了变化,透射光束的特征单位矢量既不平行于传播轴,也不垂直于传播轴。特征单位矢量的变化导致光束产生了一个与入射面垂直的横向位移,同时这个横向位移和光束的偏振椭圆率有关,不同圆偏振态(左旋和右旋)的透射光束所产生的横向位移的方向相反。这一结果和近年来在实验中检测到的均匀偏振光束的自旋霍尔效应类似,表明柱矢量光束在透射过程后也会产生光的自旋霍尔效应。     

用线偏振光产生可调矢量椭圆空心光束

提出了利用π相位板产生矢量空心光束的新方案,两个偏振方向互相垂直的线偏振光波分别通过π相位板调制后进行强度叠加,得到椭圆空心光束,用矩形光阑调节相位板的几何尺寸,可以实时调节椭圆的离心率;调节π相位板的方位,能够实现径向矢量空心光束到角向矢量空心光束的转换。分析、讨论了方案的可行性和在原子光学中的潜在应用,结果表明:本方案在原子光学中有很好的应用前景。     

影响空间变化偏振矢量光束强聚焦后焦斑移位的因素

利用衍射积分公式数值模拟了不同阶次的空间变化偏振矢量贝塞尔高斯(BG)光束经过强聚焦系统后在焦点附近的强度分布。数值结果显示空间变化偏振矢量BG光束聚焦后在光束传播轴负方向存在焦斑移位现象,其焦斑移位的大小与光束的模阶次、光束宽度、波长以及局部偏振状态密切相关。矢量光束偏振态的变化依靠液晶相位延迟器(LCVR)的相位延迟角度来控制,由于LCVR的相位延迟角度可以在0～π之间连续变化,从而改变光束的局部偏振状态,间接实现了对矢量光束焦斑移位大小的实时控制,在光学微操纵领域具有潜在的应用价值。     

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.     

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。     

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。     

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。     

投影光学系统中的偏振像差分析

当光束斜入射时,光学薄膜存在一定的偏振效应。在飞利浦棱镜系统中,当一定大小孔径角的照明光束斜入射到分色合色薄膜后,S偏振分量和P偏振分量存在一定的相位差,使得线偏振光变成椭圆偏振光。利用琼斯矩阵偏振光线追迹的方法,分析了投影光学系统中由于两偏振分量相位差引起的偏振像差,以及它与暗态泄漏光强和系统衬比度的关系。得出了系统出瞳面上的光波偏振特性,以及在不同大小孔径角的照明光束入射下偏振像差的变化。分析了膜厚监控误差对光学系统偏振像差的影响,发现膜厚监控误差对偏振像差和系统衬比度有很大的影响。所使用的分析方法可以应用于其他大口径光学系统。     

对获得圆偏振光夹角的讨论

本文在介绍获得圆偏振光实验光路及菲涅耳公式的基础上,详细分析了获得圆偏振光夹角θ应满足的条件.分析结果表明:要获得圆偏振光,入射偏振光的偏振面与1/4波片的主截面的夹角应是θ=arctan(n_e(n_o+1)~2)(/n_o(n_e+1)~2),而不是θ=±π/4.     

矢量光束界面反射透射的自旋霍耳效应

矢量光束的一般表示方法是利用投影矩阵和广义琼斯矢量的乘积描述.投影矩阵存在一个自由度,该自由度与有限光束的场矢量偏振状态有关,由特定的单位矢量与波矢量间的方位角决定,可以定量地描述矢量光束的偏振状态.本文在矢量光束描述的理论基础上,通过对投影矩阵进行与反射光束与透射光束传播方向相应的坐标旋转,根据麦克斯韦方程组及其边界条件,计算讨论在各向同性介质界面上反射、透射矢量光束的表示形式以及其自旋霍尔效应表现出的横向位移.线偏振光(光子自旋量为σ＝0)横向位移为零,圆偏振光束(光子自旋量为σ＝±1)位移量最大且左圆偏振与右圆偏振光束的位移大小相等方向相反,进一步分析了左圆偏振光束在界面上的反射、透射光束的横向位移与入射角的关系.     

基于Metasurface的轨道角动量光束的产生与调控

提出了一种基于metasurface产生与调控轨道角动量光束的新方法。光场在偏振态的演变过程中可以获得附加的Pancharatnam-Berry(PB)几何相位。因此,可以通过调控光场的偏振态获得所需相位。所构造的metasurface具有空间变化的光轴分布,能够精确地操控光束的偏振态。当metasurface的光轴方向在方位角方向连续变化时,就能产生与方位角坐标相关的PB相,也就是涡旋相。该相位可以用来产生轨道角动量光束,也可以用来操控涡旋光束的轨道角动量。实验结果验证了这种方案的可行性。所得到的结果为轨道角动量光束的产生及光束的轨道角动量调控提供了一种新方法,对基于轨道角动量光束的量子通信和光学微操控等也有应用价值。     

任意偏振态光束全反射时的侧向和横向位移

光束在电介质界面发生全反射时,实际反射光束会在入射面内相对于几何反射光束产生一侧向位移,在垂直于入射面的方向产生一横向位移。利用改进的能流法研究了任意偏振态光束发生全反射时的侧向和横向位移特性。研究表明,侧向位移的大小与入射光束的两组成部分———TE和TM偏振光的相位差无关,而与两组分的光强比密切相关,且该位移可以表示为TE和TM偏振光束各自的位移按光强的加权平均。横向位移的大小不仅与入射光束两组分的光强比相关,还与组分的相位差密切相关。另外,反射光束不仅在椭圆偏振态入射的情况下会产生横向位移,而且在TE和TM偏振态之外的其他线偏振态入射时,也会产生横向位移。     

偏振光的χ矢量表示及应用

从Jones矢量的定义中引入了χ矢量,利用该矢量的定义给出了偏振光的χ矢量复平面表示,在该二维复平面上,确定了各个点与偏振光的态势相对应的关系.同时证明了与Jones矢阵的本征态有关的几个重要的结论:任何光学系统的Jones矩阵都有两个本征态;旋光介质的两个本征态是左旋和右旋圆偏振光;偏振器的本征态是两个正交的线偏振光;双折射介质的两个本征态是分别沿快、慢轴方向的线偏振光.     

混浊介质中线偏振光和圆偏振光的后向漫散射特征

以标准的组织模型Intralipid脂肪乳溶液为研究对象,采用CCD偏振成像系统,通过测量该混浊介质的后向漫散射光的斯托克斯矢量,深入研究了不同方位的线偏振光及不同旋向的圆偏振光入射时,后向漫散射光的特征.研究结果表明：对不同的入射偏振态,后向漫散射强度、偏振度的空间分布具有方位选择性,强度和偏振度的大小随距离入射点的距离增加而减小;介质浓度增加,后向散射强度增加,偏振度减小,且同一浓度下,圆偏振光的偏振度总是高于线偏振光.