涡旋矢量光场的聚焦特性研究

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近年来,矢量光场因在基础科学研究、国防、医学等领域的巨大潜力而被科研人员广泛关注。矢量光场的非均匀偏振分布对光场的空时演化有重要影响,导致其不同于传统的标量光场,因此出现了许多新特性。例如径向偏振光紧聚焦可得到很强的纵向分量并形成很小的聚焦斑,以及旋向偏振光可生成二维和三维的聚焦中空场等。由于光场的多参量调控,主要包括偏振态调控和相位调控,可产生许多新的光场分布,因此本文对矢量光加载涡旋位相的聚焦特性进行了研究和模拟计算。  本论文第一章首先介绍了矢量光场的发展历史,并对其数学表达进行了详尽的描述。第二章对于矢量光场不同类型的生成方法,尤其对梯形Sagnac干涉仪和4f系统生成方法进行了详尽的描述。然后介绍了矢量衍射理论,并描述了不同类型的矢量光场的紧聚焦特性,及其在焦平面上所生成的光场分布,其中包括纵向场、平顶型光场、中空聚焦场。  第三章和第四章介绍了本文的主要工作,即对于矢量光场的相位调控,通过对径向偏振光加载涡旋位相来生成新的聚焦光场:  (1)第三章研究了径向偏振光加载单涡旋位相时,不同拓扑荷对于聚焦光场的影响特性。利用Richards-Wolf矢量衍射理论,计算得到了不同拓扑电荷数下的聚焦光场。分析表明,随着拓扑荷的变化,焦点光场由一个极小的聚焦斑演化为中空聚焦光场,且可通过拓扑荷的变化对中空聚焦光场的半径进行精确调控,这在光束粒子捕获方面具有重要应用。并且,通过调节数值孔径,可生成平顶型光场;跟传统的圆偏振涡旋光相比,这种产生平顶型光场的方法更加简便,且激光能量利用率更高。此外,对于径向偏振光加载离轴涡旋位相的情况进行了计算和分析,这对于实验操作具有重要的指导意义。  (2)第四章研究了径向偏振光加载双涡旋位相时的聚焦场特性。在加载相同旋转方向的双涡旋位相情况下,当双涡旋同时具有相同拓扑荷时,随着双涡旋距离的增大,聚焦光斑从中空聚焦场演化为聚焦光点;当双涡旋同时具有不同拓扑荷时,随着拓扑荷的增大,聚焦光场的中心逐渐偏离几何中心,呈现半环状分布。在加载不同旋转方向的双涡旋位相情况下,当双涡旋同时具有绝对值相同拓扑荷时,随着双涡旋距离的增大,出现了光斑的偏移现象,这可应用于捕捉折射率高于周边介质的粒子,这在粒子传输和操纵方面具有重要应用;当双涡旋同时具有绝对值不同拓扑荷时,随着拓扑荷的增大,聚焦光场的中心同样逐渐偏离几何中心,呈现半环状分布。  论文第五章对本论文工作进行总结,提出了对于矢量光束的相位调控方面的展望。
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