4pi聚焦系统中振幅和相位调制的径向偏振涡旋光束聚焦特性的研究

基于Richards-Wolf矢量衍射积分公式, 研究了径向偏振涡旋光束在振幅和相位调制下的4pi聚焦特性.振幅调制是通过振幅滤波实现, 即改变入射光束起始积分值达到调节,相位调制是通过添加相位延迟角δ 的液晶相位延迟器来改变入射光束的偏振态.模拟结果显示,随着振幅的减小, 4pi聚焦系统焦点附近的光轴上呈现出多光球结构; 而相位调制对焦点附近的光强分布产生拉伸作用, 即调节入射光束的拓扑核m和相位延迟器的延迟角δ,可以得到特殊的光强分布. 随着相位δ增大, m=0产生的多光球结构慢慢向光链结构转变,最终变成暗通道;而m=1产生的光链结构慢慢变成光球结构; m=2产生的暗通道变成光球和光链叠加的结构, 这种特殊聚焦光束在光学微操纵领域具有潜在的应用价值. 关键词： 物理光学 偏振 光链 4pi聚焦系统     

双环贝塞尔-高斯径向偏振光束经介质分界面的强聚焦

基于矢量德拜理论,研究了贝塞尔-高斯径向偏振光束经过衍射光学元件(DOE)和高数值孔径(NA)透镜组成的光学系统后经介质分界面的强聚焦特性。设计DOE的参数对入射的贝塞尔-高斯径向偏振光束进行调制,在聚焦场中能得到沿光轴方向的三维多点光俘获结构-光链。研究结果表明,入射光束的拦截比(即透镜孔径半径与入射光束束腰半径比)、数值孔径和聚焦场介质折射率都会影响光束的强聚焦特性。当光束的拦截比增大到一个值时,聚焦场的光链会转变成暗通道,并且在不改变暗通道宽度的情况下,暗通道的长度会随着介质折射率的增大而增长。     

激光通过散射介质的聚焦

基于角谱衍射公式和散射介质的圆形高斯分布模型,数值模拟光通过散射介质的聚焦.通过反馈优化算法实现散射光束的波前整形,在目标位置处形成一个很亮的聚焦光斑.改变聚焦目标位置后,可实现任意位置处的单点或多点聚焦.讨论了空间光调制器上的总调制单元个数、每个调制单元相位准确度与光强增长因子的关系.结果表明:目标位置处的光强随着总像素单元数的增加而线性地增强,并且随着调制单元的相位准确度的增加而增强.     

高数值孔径聚焦系统中的光学参量对三维双光链的影响

设计了衍射光学元件,利用该元件对入射的角向偏振拉盖尔-高斯矢量光束进行调制,在高数值孔径聚焦透镜的焦平面附近获得了沿光轴方向成对的三维多点光俘获结构——双光链。分析了入射光束的参数(缔合拉盖尔多项式的拓扑荷数和径向模数以及光束的拦截比)、衍射光学元件的内外环结构和聚焦透镜的数值孔径对双光链的影响。结果表明,改变拓扑荷数和径向模数会破坏双光链结构,通过调节拦截比和衍射光学元件的结构可重新获得双光链,从而实现对双光链结构的高自由度控制。     

离轴高斯涡旋光束的深聚焦特性

基于德拜矢量衍射积分理论,对离轴高斯涡旋光束经过大数值孔径透镜后聚焦场的特性进行了研究,获得了离轴高斯涡旋光束深聚焦后复振幅分布函数,在此基础上对离轴高斯涡旋光束深聚焦场的光强和相位分别进行了分析.数值模拟结果表明:离轴距离的改变对高斯涡旋光束在焦平面上的光强分布和相位分布会产生影响,离轴距离的增加会加剧聚焦场光强在y轴方向上分布的差异,而离轴距离的符号决定了光强集中区域的方向.另一方面,与一阶离轴涡旋光束不同,高阶离轴涡旋光束经过深聚焦后会发生暗核分裂现象,出现多个相位奇点,奇点个数等于原始光束对应的拓扑荷数,且分裂后的奇点具有明显的对称性.研究表明,这种暗核分裂现象由大数值孔径透镜深聚焦引起.     

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。     

环形光束的非线性传输及聚焦特性研究

针对用于产生光镊的环形光束,利用分步傅里叶-贝塞尔变换算法,对二维环形超高斯光束的非线性传输及聚焦过程进行了数值模拟,给出了环形光束聚焦场附近的光强分布,并分析了非线性调制对聚焦性质(包括焦面中心光强、焦面光强的横向分布、轴上光强和光束质量)的影响.研究表明,从聚焦角度来看,非线性调制中的位相调制比振幅调制对环形光束聚焦性质的影响程度要大;从非线性传输角度来看,随着非线性介质长度的增加,位相调制和振幅调制对环形光束聚焦性质各有不同程度的加剧,其中非线性作用对振幅调制的影响要比位相调制明显.     

初级球差对矢量柱状贝塞耳-高斯光束聚焦场的影响

通过柱坐标下的的分析方法,获得径向偏振和方位角偏振贝塞耳-高斯光束经具有球差的高数值孔径系统聚焦后的三维光场分布函数,根据光场分布函数模拟了不同球差系数下贝塞耳-高斯光束在焦平面和通过焦点的纵向切面上的光场分布.结果表明,在球差系数增加时,方位角偏振贝塞耳-高斯光束在焦平面上的圆环状光斑内半径逐渐变小到趋于恒定,而外环半径先减小后增大;而衍射焦点偏离高斯焦点的距离越来越大,纵向光强不再对衍射焦平面呈对称分布,调整离焦距离无法完全消除球差的影响;径向偏振贝塞耳-高斯光束会聚场的光强随初级球差的变化规律与方位角偏振贝塞耳-高斯光束的一致.     

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.     

径向偏振光下的长焦、紧聚焦表面等离子体激元透镜

表面等离子体激元透镜(plasmonic lens, PL)是一种通过激发和操控表面等离子体激元 (SPPs), 突破衍射极限, 实现亚波长紧聚焦的纳米光子器件. 如何实现高效率的紧聚焦及调控, 一直是研究PL的重点. 如果选取电矢量沿径向振动的径向偏振光作为PL的入射光, 可从各个方向激发SPPs, 提高紧聚焦的能量效率. 本文提出了一种在径向偏振光激发下的长焦深、长焦距、亚波长紧聚焦的表面等离子体激元透镜, 该透镜由中心T 形微孔、阶梯形同心环和同心环结构组成. 本文首先利用有限元方法数值分析了中心微孔-同心环结构透镜的聚焦特性, 结果显示径向偏振光由底部入射可高效激发SPPs, 并且中心微孔透射光与散射至自由空间的SPPs由于多光束干涉形成了紧聚焦. 为进一步压缩焦斑、增加焦距、加深焦深、改善透镜聚焦特性, 本文引入中心T形微孔-阶梯形同心环结构, 从而对阶梯表面的SPPs同时提供了相位调制和传播方向的控制. 经过参数优化, 该透镜结构实现了光斑焦深、半高宽、焦距分别是入射光波长的2.5倍、0.388 倍、3.22倍的亚波长紧聚焦; 而且该透镜具有结构紧凑、尺寸小、易于集成的优点, 满足了纳米光子学对于器件微型化和高度集成化的要求. 该研究结果在纳米光子集成、近场光学成像与探测、纳米光刻等相关领域具有潜在的应用价值.     

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。     

径向偏振调制对聚焦光斑匀滑及偏振特性的影响

基于标量衍射理论建立了光谱色散平滑（SSD)、随机相位板（RPP）和偏振匀滑（PS）联用的光束匀滑方案数值仿真模型。以斑纹对比度和偏振度为主要评价参量,利用该模型研究了径向偏振调制的匀滑及消偏振特性。研究表明,径向偏振调制可以有效降低聚焦光斑斑纹对比度和偏振度。使用半波片拼接方式产生近似径向偏振光时,拼接单元数对匀滑及偏振特性影响较小,8片拼接的匀滑效果已与理想径向偏振光几乎一致。对比分析了径向偏振调制、正交偏振调制和双折射楔三种PS方式,结果表明,由于三种PS方式本质上的一致性,光束的匀滑及偏振特性差别较小。     

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.     

少周期飞秒准径向偏振光的超快瞬变聚焦矢量场（英文）

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.     

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.     

紧聚焦条件下的轴向双焦点波带片

基于紧聚焦条件下的矢量衍射理论推出了一个解析解形式的环半径公式,利用此公式设计得到的二元相位波带片可以使入射光的紧聚焦区域呈现轴向双焦点分布。并且,公式中的两个焦点的轴向距离和环半径直接相关,可以设计一系列的具有不同轴向距离的二元相位波带片,用来调制高数值孔径物镜,使其产生轴向可调的双焦点。以径向偏振贝塞尔-高斯光束为例,数值模拟了在不同轴向偏移距离的二元相位波带片的调制下的紧聚焦场的空间强度分布。数值模拟结果表明,基于此类二元相位波带片可以成功地实现轴向距离可调的双焦点。此外,利用一些具有特殊轴向距离的二元相位波带片,还可产生"光泡"与"光针"等特殊的紧聚焦场分布。因此,此类二元相位波带片有望应用于微粒子的动态操控与捕获。     

闪耀型亚波长光栅透镜的柱矢量光聚焦优化和调控

柱矢量光束的紧聚焦在光学微操纵、光学存储、激光微加工、超分辨率成像和粒子加速等领域发挥着重要作用。亚波长光栅平凹透镜对柱矢量光束的紧聚焦的能力仍有提升空间,本文利用闪耀结构将光的能量从零级转移并集中到-1级,对亚波长光栅平凹透镜的聚焦性能进行优化。提高了透镜的衍射效率,增强了焦场的能量。通过调整高斯径向偏振光的形状参数,改变入射光振幅及入射区域半径实现对焦场能量的动态调控。进一步地,调控柱矢量光束的偏振组分能够直接有效地横向调制焦场,获得多样化形貌的焦斑。本文的优化手段对于其他光栅透镜也具有参考意义,该研究结果在超分辨率成像以及光场调控等领域具有潜在的应用价值。     

高阶矢量光束高数值孔径聚焦特性的研究

本文利用Richards-Wolf矢量衍射积分模型对-2到4阶的贝塞尔型 矢量光束经高数值孔径聚焦后焦平面处的光强分布进行了理论仿真和特性研究, 并对矢量光束的聚焦场在真空下俘获玻璃小球的梯度力分布进行了仿真. 结果表明聚焦场的形状、尺度及各分量的变化与矢量光束的阶数有密切关系, 且具有特定的规律; 此外, 聚焦场的梯度力分布与矢量光束的阶数也有密切关系,并且具有多种不同形状和尺度的光陷阱.     

紧聚焦条件下的轴向双焦点波带片EI北大核心CSCD

基于紧聚焦条件下的矢量衍射理论推出了一个解析解形式的环半径公式,利用此公式设计得到的二元相位波带片可以使入射光的紧聚焦区域呈现轴向双焦点分布。并且,公式中的两个焦点的轴向距离和环半径直接相关,可以设计一系列的具有不同轴向距离的二元相位波带片,用来调制高数值孔径物镜,使其产生轴向可调的双焦点。以径向偏振贝塞尔-高斯光束为例,数值模拟了在不同轴向偏移距离的二元相位波带片的调制下的紧聚焦场的空间强度分布。数值模拟结果表明,基于此类二元相位波带片可以成功地实现轴向距离可调的双焦点。此外,利用一些具有特殊轴向距离的二元相位波带片,还可产生"光泡"与"光针"等特殊的紧聚焦场分布。因此,此类二元相位波带片有望应用于微粒子的动态操控与捕获。     

克尔效应对高斯光束聚焦特性的影响

利用菲涅尔—基尔霍夫衍射积分公式,研究薄片近似情况下的Kerr效应带来的波前畸变对高斯光束聚焦特性的影响.在相位延迟为－2~2 rad的范围内进行的模拟计算表明：正Kerr效应能提高高斯光束的聚焦强度、增大相对焦移量、提高聚焦光束的焦平面桶中功率和降低几何焦平面的峰值光强;而负Kerr效应,则会降低聚焦强度、增大相对焦移量、降低聚焦光束的焦平面桶中功率和几何焦平面的峰值光强.可以通过增大光束菲涅尔数来抑制Kerr效应对聚焦特性的影响.