柱矢量涡旋光束强聚焦特性的修正研究

对现有柱矢量涡旋光束强聚焦公式的不足进行修正,数值模拟了不同拓扑核柱矢量涡旋光束的强聚焦场分布.结果表明:调节偏振旋转角、数值孔径以及遮挡通光孔径可以有效地构造平顶光束与暗通道.调节偏振旋转角能改变涡旋光束径向部分与角向部分的相对强度,实现平顶聚焦;增加孔径遮挡值可以在相对较小的数值孔径下形成平顶光束.当孔径遮挡较大时可以在高数值孔径下实现更窄的暗通道.     

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...     

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.     

基于高阶角向偏振拉盖尔高斯涡旋光束强聚焦的三光链结构

依据角向偏振涡旋光束强聚焦有径向分量的结论,修正了角向偏振涡旋光束的强聚焦场公式,重新研究了高阶角向偏振拉盖尔高斯涡旋光束经过衍射光学元件和高数值孔径透镜后的强聚焦特性。结果发现,在焦平面附近获得了新的三维三光链结构(沿着光轴方向的一条三维主光链和对称的两条三维傍轴次光链),详细分析了入射光束缔合拉盖尔多项式的径向模数和光束的拦截比、衍射光学元件结构和聚焦系统的数值孔径对三光链的影响。结果表明,径向模数的改变会破坏三光链结构,通过调控衍射光学元件结构和拦截比可以重新获得对称性更高的三光链结构,从而实现对三光链结构的高自由度调控。     

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。     

高次方涡旋光束经大数值孔径透镜的聚焦特性

为了获得多种类型的波长量级聚焦光斑,研究了一种新型涡旋光束,高次方涡旋光束经过大数值孔径透镜的聚焦。基于矢量德拜积分公式,理论上研究了线偏振的高次方涡旋光束经过大数值孔径透镜的聚焦特性。研究了涡旋光束的拓扑荷数和幂次方数对聚焦平面光强和电场x分量的相位分布的影响。研究结果表明,通过控制涡旋光束的拓扑荷数和幂次方数可以产生不同类型的聚焦光强分布,例如尺寸约为2个波长大小的实心和空心型聚焦光斑。此外,与普通的涡旋光束聚焦不同,高次方涡旋光束聚焦后的奇点并不在焦点处。这些特殊的聚焦光斑有望在微粒的操控等领域中得到应用。     

自旋-轨道相互作用下X型涡旋光束的传播特性

研究了 X型涡旋光束在左旋/右旋圆偏振状态下在紧聚焦系统中的传播特性,讨论了 自旋-轨道相互作用下焦平面光强的横向焦移和传播方向旋转现象的特点及其调控方法.研究发现:相位分布因子c是X型涡旋光束产生横向焦移和光强旋转的主要原因,而半孔径角α、偏振态和拓扑荷数对光强分布均有调控作用;由于自旋-轨道相互作用,入射光为左旋圆...     

部分相干圆偏振贝塞耳-高斯光束经高数值孔径透镜的聚焦

研究了部分相干圆偏振贝塞耳一高斯光束经高数值孑L径透镜的聚焦特性.基于德拜矢量积分理论,分别推导出了部分相十圆偏振涡旋光束经过高数值孔径透镜聚焦以后的光强和偏振度表达式.根据数值模拟的结果,比较了左旋和右旋圆偏振涡旋光束的不同深聚焦特性以及相关参量对涡旋光束深聚焦特性的影响.研究表明,入射光束的相关参数和聚焦透镜的数值孔径大小都会影响光束的聚焦特性.此外,还得出一个重要结论,部分相于圆偏振涡旋光束经高数值孔径透镜聚焦以后.光束本身带有的白旋角动晕会转化成轨道角动量,这一研究成果对于利用涡旋光束进行微粒操控等方面应用具有十分重要的意义.     

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。     

石墨烯表面涡旋光束的局域动力学特性分析

结合角谱展开方法和矢量势方法,推导了拉盖尔高斯涡旋光束在石墨烯表面反射后的电磁场分量显式表达式。分析了光束的入射角和拓扑荷数,以及石墨烯-衬底系统的费米能量和磁场对涡旋光束在石墨烯表面反射后局域动力学特性的影响。数值结果表明,石墨烯表面反射涡旋光束的能量、动量、自旋/轨道角动量密度分布随着光束入射角和拓扑荷数的变化发生显著变化。同时,改变石墨烯-衬底系统的费米能量和磁场可以有效调节反射涡旋光束的局域动力学特性。为基于涡旋光束局域动力学特性对石墨烯的表征以及基于石墨烯对涡旋光束的调控奠定了理论基础。     

平顶光束和平顶涡旋光束对金属瑞利粒子的光学俘获

 使用聚焦平顶光束和平顶涡旋光束,以金为例,对金属瑞利粒子辐射力和俘获稳定性进行了分析,着重研究了拓扑电荷和光束阶数对辐射力的影响。结果表明,随着拓扑电荷和光束阶数的增大,最大光强和辐射力随之减小;平顶光束可以俘获金瑞利粒子,俘获微粒的牢固性和俘获范围随着光束阶数增大而减小,而平顶涡旋光束的梯度力不能作为回复力,因此不能俘获。最后,还讨论了不同光强分布下,俘获金属瑞利粒子时复介电常数需满足的必要条件。     

矢量涡旋光束的模式连续可调生成技术

矢量涡旋光束是一种新型的结构光束,具有横截面各向异性分布的偏振态,同时携带有轨道角动量。矢量涡旋光束的这些独特性质使得其在光通信、光镊、激光加工等领域具有重要的应用价值。对于不同的应用,所需的矢量涡旋光束的偏振态、相位分布不同,因此偏振、相位模式连续可调的矢量涡旋光束的生成系统是矢量涡旋光束应用的重要基础。报道了本课题组在矢量涡旋光束生成方面的工作,主要介绍了腔外模式连续可调的矢量涡旋光束的生成方法,以及矢量涡旋光束阵列的生成方法。     

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     

涡旋光束在反射中的正交偏振特性研究

本文从角谱理论出发建立了涡旋光束在空气-玻璃界面反射时的傍轴传输模型, 并研究了反射过程中诱导产生的正交偏振效应. 当一水平偏振涡旋光束以不同角度入射时, 反射光束的正交偏振分量呈现出类似于一阶厄米-高斯模式的双峰强度分布, 而水平偏振分量强度分布呈现与入射光束相似的分布, 且只在布儒斯特角附近入射时才现出与正交偏振分量垂直的双峰分布. 对于任意线偏振入射光, 其正交偏振分量的偏振方向不再垂直于入射时的偏振方向, 而是与反射光束的中心波矢垂直, 此时正交偏振分量出现有趣的旋转特性, 其物理原因归结于任意线偏振光入射时所对应的水平与垂直偏振分量的反射系数不同. 最后进行了相关实验验证, 发现实验结果与理论分析符合得较好. 关键词： 正交偏振 涡旋光束 任意线偏振     

随机电磁涡旋光束的深聚焦特性

基于德拜矢量积分理论,研究了随机电磁涡旋光束经过大数值孔径透镜之后的聚焦特性及透镜的数值孔径、入射光束的偏振度、拓扑荷以及横向相干长度对焦平面附近聚焦光束的光强分布和相干度的影响.结果表明:适当地选择相关参量,可在焦平面上得到椭圆形光斑的光强分布以及平顶光强分布.随机电磁涡旋光束在焦平面上同一点处两个相互垂直分量之间的相干度,不同两点处两个相同分量之间的相干度以及不同两点处两个相互垂直分量之间的相干度研究表明,入射光束的拓扑荷和横向相干长度对聚焦光束的相干性有着十分明显的影响.     

基于双开口谐振环超表面的宽带太赫兹涡旋光束产生

提出了一种基于双开口谐振环单元结构超表面的太赫兹宽带涡旋光束产生器.该结构由金属-电介质两层构成,位于顶层的是基于双开口谐振环单元结构的超表面,底层为介质层.对单元结构阵列进行数值仿真,圆偏振的入射光可以被转换成相应的交叉偏振透射光,通过旋转表层金属谐振环,可以控制交叉偏振透射光具有相同的振幅和不同的相位.这些单元结构按照特定的规律排列,可以形成用以产生不同拓扑荷数的涡旋光束的涡旋相位板.以拓扑荷数1和2为例,设计了两种涡旋相位板,数值分析了圆偏振波垂直入射到该涡旋相位板生成交叉圆偏振涡旋光束的特性.结果表明,在1.39—1.91 THz的频率范围内产生了比较理想的不同拓扑荷数的涡旋光束,且透过率高于20%,最高可达到24%,接近单层透射式超表面的理论极限值.     

J0相干角向偏振涡旋光束的深聚焦

通过矢量德拜理论,研究了J0相干角向偏振涡旋光束深聚焦的性质。推导了在焦点区域的光强分布、光谱相干度和偏振度的表达式。数值模拟结果表明,光强分布、相干度和偏振度不仅依赖于相干长度和数值孔径最大角,而且依赖于拓扑电荷数。这种光束在焦平面还可获得非常小的焦点和焦洞。     

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.     

双环径向偏振涡旋光束经介质界面的深聚焦

基于矢量德拜理论,研究了双环径向偏振涡旋光束经介质分界面的深聚焦特性。当选取适当的入射光束拦截比时(即透镜孔径半径与入射光束的束腰半径的比),在聚焦场中可以得到一个极小的局域空心光束。局域空心光束的大小不仅与透镜的数值孔径有关,还与聚焦场介质的折射率有关。另外,还研究了透镜的数值孔径、入射光束的拦截比以及探测深度对聚焦光束实际焦点位置的影响。通过对聚焦光束的实际焦点位置的计算发现:当选取一定的光束拦截比时,聚焦光束存在一个焦点开关。     

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。