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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

双环角向偏振光束深聚焦特性

基于Richards-Wolf矢量衍射积分公式,研究了双环角向偏振光束经环状高数值孔径透镜的聚焦特性,推导了双环角向偏振光束经环状透镜深聚焦的光强表达式。根据数值模拟结果,比较了相关参量的变化对深聚焦特性的影响。研究表明:入射光束经环状高数值孔径透镜聚焦后,在焦平面得到了具有广泛应用的亚波长空心光斑,并且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,使聚焦空心光斑达到亚波长量级;双环角向偏振光束经环状高数值孔径透镜的聚焦以后,在焦平面附近产生了一个更长的焦深（约28倍入射光波长）。     

Tight focusing properties of double-ring-shaped azimuthally polarized beam through annular high numerical aperture

基于Richards-Wolf矢量衍射积分公式,研究了双环角向偏振光束经环状高数值孔径透镜的聚焦特性,推导了双环角向偏振光束经环状透镜深聚焦的光强表达式.根据数值模拟结果,比较了相关参量的变化对深聚焦特性的影响.研究表明:入射光束经环状高数值孔径透镜聚焦后,在焦平面得到了具有广泛应用的亚波长空心光斑,并且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,使聚焦空心光斑达到亚波长量级;双环角向偏振光束经环状高数值孔径透镜的聚焦以后,在焦平面附近产生了一个更长的焦深(约28倍入射光波长).     

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.     

拉盖尔高斯径向偏振光高数值孔径聚焦特性

光波在高数值孔径聚焦下焦点区域光强分布呈现出的特殊性质已经被应用到光学显微成像、微粒控制、光存储等领域中.本文基于矢量Deby衍射理论研究了TM01模拉盖尔高斯径向偏振光经高数值孔径聚焦下焦点区域光强分布.通过调节入瞳半径与光束束腰之比,发现拉盖尔高斯径向偏振光光斑由明亮尺寸小光斑变化成环形中空光斑,并且通过光瞳滤波器...     

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.     

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。     

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.     

高斯光束通过失调透镜系统的聚焦特性

为分析透镜系统中圆孔光栏和透镜失调对高斯光束聚焦特性的影响,利用椭圆光栏近似展开式和失调光学系统的广义衍射公式,推导高斯光束经含圆孔光栏失调透镜系统传输的近似解析式,得到输出光束光强极大值场分布与光束参量、孔径尺寸、光栏和透镜失调量之间的关系。针对特定透镜系统,定量分析失调量对输出光束聚焦特性的影响。结果表明:各元件的失调对输出光束聚焦特性均产生影响,在失调量较小时透镜横位移对输出光束聚焦特性的影响比透镜角位移对输出光束聚焦特性的影响更明显。     

不同数值孔径下调控矢量光束聚焦场的反向构建

根据电磁辐射理论和矢量光场积分理论,研究了矢量光束聚焦场特性与聚焦透镜数值孔径之间的关系。在透镜焦场区设定电偶极子阵列和磁偶极子阵列,收集其辐射场并反向聚焦,通过调控与优化偶极子阵列参数,反演不同数值孔径透镜下的聚焦光场,获得了聚焦光针场、三维衍射受限光管场随透镜数值孔径的变化规律。研究结果表明,随着数值孔径的减小,光针场的纵向分量纯度、边缘斜率以及光针长度递减,半峰全宽递增,光管场依旧保持纯方位角偏振分布,且中空区域的半峰全宽递增。研究结果对在不同数值孔径下矢量光束聚焦的应用研究具有重要意义。     

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。     

双曲正弦-高斯光束的像散透镜聚焦性质与暗空心光束产生

基于广义惠更斯-菲涅耳衍射积分公式,推导了双曲正弦-高斯光束通过像散透镜聚焦的场分布解析表达式,并用数值计算研究了双曲正弦-高斯光束在像散透镜焦平面上或焦平面附近的光强分布与相位特性。理论分析与数值计算结果表明,选择适当的光束参数与像散透镜结构参数,可以使双曲正弦-高斯光束经像散透镜后转换为具有涡旋的暗空心光束,其拓扑荷指数为1。此外,还对影响场强度分布与相位分布的光束参数与透镜参数进行了分析讨论。特别地,透镜的像散是双曲正弦-高斯光束经像散透镜聚焦产生暗空心涡旋光束的关键控制因素,利用合适的像散透镜可获得相当长度的理想暗空心光管。     

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。     

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.     

偏离束腰入射对非局域非线性介质中高斯光束演化的影响

从1+1维强非局域模型出发，讨论了偏离束腰入射的高斯光束在非局域非线性介质中的传输 特性，得到了精确的解析解.结果表明，在聚焦介质中偏离束腰入射时，不论入射功率多大 ，光束束宽将发生周期性波动，光孤子不复存在，这与从高斯光束束腰入射的情况有本质的 不同；入射功率决定了光束平均束宽的大小，入射位置决定了光束初始的演化趋势.比较了在入射位置相同的条件下，聚焦介质、散焦介质和线性均匀介质中光束的演化.给出了“空 间啁啾”的定义，偏离束腰入射的物理本质是光束的不同入射位置对应不同的初始空间啁啾 .空间啁啾的概念， 关键词： 非局域非线性介质 空间光孤子 高斯光束     

3类高斯光束的圆孔衍射特性

利用标量衍射理论,将空心高斯光束、贝塞尔高斯光束、平顶高斯光束3类高斯光束的圆孔衍射场进行傅里叶变换,并运用D-FFT算法对其圆孔衍射特性进行了数值计算,得到了衍射场中轴向和径向的光强分布特点,分析了光学参量对衍射结果的影响.分析结果表明:衍射特性与衍射距离、光束的阶数、圆孔束腰半径比等因素有关.