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。     

基于一维金属光子晶体平凹镜的柱矢量光束亚波长聚焦

柱矢量光束具有柱对称性的偏振分布,其独特的光场分布和聚焦特性被广泛应用于光学微操纵及光学成像等领域,并迅速向亚波长尺度拓展.通常,亚波长尺度聚焦采用等离激元透镜实现,但存在光场调控的偏振态局限性.而借助光子晶体的负折射效应,不仅能够实现亚波长聚焦或成像,而且应对正交偏振态同时有效.采用对电磁波具有更强调控能力的一维金属光子晶体结构,计算得到的能带结构和等频曲线表明其负折射效应在特定波段对正交偏振态同时有效.在此基础上设计出一维金属光子晶体柱对称平凹镜结构,通过有限元算法模拟显示了可见光波段的径向和旋向偏振光的同时亚波长聚焦行为.进一步的结果表明,改变柱矢量光束的偏振组分能够直接有效地调节焦场空间分布及偏振分布特性.所提出的平凹镜结构能够实现对任意偏振组分的柱矢量光束的亚波长尺度聚焦,且该结构的设计对于各波段情况均有参考意义.该研究结果对小尺度粒子的光学微操纵、超分辨率成像等相关领域具有潜在的应用价值.     

高斯光束通过双焦透镜的聚焦特性

 从Collins公式出发,研究了高斯光束通过双焦透镜后的聚焦特性。在无光阑的情况下,给出了轴上光强和x, y方向两束腰及其位置的解析公式。详细的数值计算表明,轴上光强最大点位于其中一个束腰位置附近或者相重合,但始终不能超过透镜较大的焦点。并且,相对束腰的位移随光阑效应的增加而增加。     

高斯光束通过双焦透镜的聚焦特性

从Collins公式出发,研究了高斯光束通过双焦透镜后的聚焦特性。在无光阑的情况下,给出了轴上光强和x, y方向两束腰及其位置的解析公式。详细的数值计算表明,轴上光强最大点位于其中一个束腰位置附近或者相重合,但始终不能超过透镜较大的焦点。并且,相对束腰的位移随光阑效应的增加而增加。     

负折射率平板透镜系统中的光束聚焦及相位补偿特性

利用平面角谱理论,建立厄米-高斯光束和拉盖尔-高斯光束在负折射率平板透镜系统中的傍轴传输模型,研究负折射率平板透镜中厄米-高斯光束和拉盖尔-高斯光束强度聚焦及相位补偿特性。结果发现:负折射率平板透镜产生的反向Gouy相移可以补偿空气中Gouy相移导致的相差,因而在满足相位匹配条件下,光束在物平面和像平面之间的相差为零;当强度聚焦和相位匹配条件同时满足的条件下,光束在物平面强度和相位分布可在像平面实现完全重构。     

负折射率平板透镜系统中的光束聚焦及相位补偿特性

利用平面角谱理论,建立厄米-高斯光束和拉盖尔-高斯光束在负折射率平板透镜系统中的傍轴传输模型,研究负折射率平板透镜中厄米-高斯光束和拉盖尔-高斯光束强度聚焦及相位补偿特性。结果发现:负折射率平板透镜产生的反向Gouy 相移可以补偿空气中Gouy相移导致的相差,因而在满足相位匹配条件下,光束在物平面和像平面之间的相差为零;当强度聚焦和相位匹配条件同时满足的条件下,光束在物平面强度和相位分布可在像平面实现完全重构。     

基于亚波长光栅的高集成度垂直光耦合器

设计了一种基于亚波长光栅的具有高集成度、高耦合效率的垂直光耦合器,在1.5～1.6μm波长范围内实现了大于97%的耦合效率,且器件长度仅为15μm,是传统基于绝热拉锥波导的垂直耦合器尺寸的十分之一,提高了系统的集成度。在亚波长光栅占空比、拉锥波导尖端尺寸以及波导错位方面,所设计的耦合器均具有较大的工艺误差容限,在异质集成领域展现出了良好的应用前景。     

高斯光束经过负球差透镜的聚焦

本文讨论高斯光束经过负球差透镜的聚焦，得到了聚焦光场轴上点的光强分布的表示式，并对其进行数值计算。数值计算结果表明，在负球差的情况下，得到光强的最大点位置（最佳聚焦点）相对于无球差情况，往透镜方向移动，并且，最佳聚焦点的光强较无球差时大，当Ｎｗ＝１，Ｎａ＝５，ｋＳ１＝－０．２时，得到的最佳聚焦点的光强是无球差时的１．３４倍。本文还讨论了透镜的菲涅尔数对聚焦光场分布的影响。结果表明，当透镜的菲涅尔数小于１时，球差对高斯光束的聚焦的影响可以忽略。     

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.     

柱透镜聚焦高阶Bessel光束产生焦散光束

研究了高阶Bessel光束经过柱透镜后的光场分布特性.在广义惠更斯-菲涅尔衍射积分理论基础上,推导出高阶Bessel光束透过柱透镜后的衍射光场分布表达式;并利用MATLAB和MATHCAD模拟了不同传播距离处的光强分布.实验上,利用轴棱锥和螺旋相位板产生不同阶数的高阶Bessel光束,并使产生的高阶Bessel光束经过柱透镜,最后用CCD记录下不同距离处的衍射光场.研究结果表明,高阶Bessel光束经过柱透镜形成唇状的焦散光束.     

介质填充型二次柱面等离激元透镜的亚波长聚焦

本文提出了一种亚波长聚焦的表面等离激元透镜,该透镜由二氧化硅填充金膜纳米狭缝阵列组成,金膜的出射表面为二次柱面.表面等离激元在狭缝入口处激发并沿狭缝传输,在狭缝出口转变为带有一定相位延迟的自由空间传播的光波.通过对透镜结构参数的控制,可以调节来自各狭缝的光波间的相对相位,使它们在设定的焦点处进行相长干涉,从而实现聚焦效果.本文用时域有限差分法数值计算了二次柱面等离激元透镜的聚焦特性.数值模拟结果表明,所设计的孔径为2μm的透镜,能够实现微米级焦距和焦深、且焦斑半高宽低至0.4倍波长的亚波长聚焦.该表面等离激元透镜结构简单紧凑、尺寸小,有利于光子器件的集成,在集成光学、光学微操纵、超分辩率成像、光存储、生化传感等相关领域有潜在的应用价值.     

亚波长金属聚焦透镜结构参数的优化与分析

提出同时优化亚波长金属透镜结构凹槽宽度和深度,以改善亚波长金属透镜的聚焦特性.基于有限时域差分法,详细研究了凹槽宽度和深度变化对其焦斑的峰值半宽、焦斑强度、归一化聚焦效率以及焦距的影响.通过探讨金属透镜的聚焦规律及其物理机理,给出了金属透镜的优化设计方法,为利用金属透镜实现光波的纳米聚焦及灵活操控提供了理论基础.     

亚波长金属光栅的衍射辐射特性研究

分析了亚波长金属光栅的双边衍射辐射机制和特性.利用运动电子激励亚波长光栅结构,研究了其产生的双边衍射辐射.通过三维粒子模拟软件仿真,得到了光栅上下空间的电场空间分布,结合结构辐射布里渊图,证明了亚波长对称光栅上下半空间的衍射辐射场分布同样可以由Smith-Purcell辐射公式来解释,即主要有电子运动速度和光栅周期决定,并分别研究了缝隙宽度、光栅厚度对上下半空间衍射辐射的影响.为进一步研究下半空间的衍射辐射场,采用了非对称的光栅结构,研究表明非对称光栅下半空间衍射辐射场不仅取决于电子运动速度和结构下表面的周期,同时也与电子运动激励起的上半空间的辐射频率范围密切相关.     

亚波长光栅的偏振闪耀特性

 使用琼斯矩阵的方法推导了连续结构亚波长光栅的衍射方程,给出了光栅衍射效率表达式,对偏振特性与衍射特性进行了研究。发现连续结构亚波长光栅仅存在３个衍射级,总衍射效率为100%,且衍射效率可在衍射级间任意分配,0级的偏振态与入射光的偏振态相同,±1级衍射光偏振态与入射光无关,－1级为左旋圆偏振光,＋1级为右旋圆偏振光。通过设置入射光偏振态与光栅相位延迟等参数,可使光栅具有闪耀特性,据此可用于设计高效偏振光分束器和偏振光开关。     

聚焦径向调制Bessel-Gaussian光束实现亚波长尺寸纵向偏振光束

亚波长尺寸纵向偏振光束在粒子加速,单个分子偶极矩测量,二次谐波成像和纵向偏振共焦显微镜等方面有非常广泛的应用.本文提出径向调制的Bessel-Gaussian光束模型,经高数值孔径显微物镜聚焦可以获得高纯度的纵向偏振光束.利用矢量衍射理论数值模拟了焦点附近光强分布、磁场分布和能流密度空间分布.结果表明光斑半高全宽度可以达到0.4λ.该方法无需环形孔径或环形相位滤波器,光能利用率高,分辨率好,达到改进各种应用的效果. 关键词： Bessel-Gaussian光束 纵向偏振光束 聚焦 亚波长     

亚波长金属光栅结构的制备与矢量衍射理论分析

利用纳米压印结合溅射和反应离子刻蚀工艺制备了周期为1μm、占空比为0.2的亚波长金属光栅,利用紫外-可见-近红外光谱仪测量了光栅的0级反射光谱。在严格耦合波分析的基础上,把光栅区域电磁场的空间谐波通过勒让德多项式展开,使用多项式展开的谱分析法求解常微分方程,计算了该亚波长金属光栅的反射光谱及磁场分布。实验测量结果同矢量衍射理论计算结果都显示,该光栅在近红外、中红外波段具有表面等离子体共振现象。数值计算结果还表明,对于此类亚波长金属光栅,当光栅的深宽比增加时,其反射光谱中会出现更多的反射谷。     

负折射平板透镜景深特性仿真分析

根据波前编码理论,通过计算机仿真分析的形式,对负折射平板透镜景深延拓特性进行了探讨在折射率为-1时,实现了8.5333倍的景深延拓;在折射率有微小偏移的情况下,以-0.99为例,引入校正透镜后,实现了6.5862倍的景深延拓.     

基于空气孔的光子晶体亚波长成像的特性研究

负折射率材料因为其奇异的特性成为广泛研究的对象,尤其是光子晶体平板的完美成像.本文采用空气孔在硅介质中周期性排列构成六角结构的光子晶体结构,用平面波展开法及FDTD方法,研究了该光子晶体的亚波长成像能力还研究了入射波长以及温度漂移对该光子晶体平面亚波长成像的影响.     

柱矢量光束的角动量性质

介绍了非近轴光束的表示理论,利用该表示理论很好地解决了非近轴光束的角动量问题,发现非近轴光束的总角动量可以严格地分解成自旋和轨道两部分,但是两者都依赖于由偏振椭圆度表征的光束的偏振状态。主要研究了柱矢量光束的角动量问题。给出了动量空间和位形空间中的柱矢量光束表达式和角动量算符表达式。通过分析两个空间中的角动量算符及柱矢量光束表达式,发现在这两种空间中,具有螺旋型相位的柱矢量光束是角动量算符沿着传播方向的分量的本征态,其本征值与偏振椭圆度无关,这为计算这类特殊光束的角动量提供了一种新方法。