矢量光场的空域调控及其在焦场设计中的应用

【摘要】随着激光技术的发展进步,人们越来越多地依赖偏振光自身携带的丰富信息作为探测和感知物质世界的手段。如何充分发挥光子作为信息载体的优势,光场的调控至关重要。在光的基本属性参量中,频率、振幅、相位已被深入研究,其调控得到了广泛应用。光场的常规调控主要涉及相位和振幅,其调控方法和技术取得了很大进展,但偏振相关的调控近年来才受到关注。由于矢量光束具有非均匀偏振分布的特质和潜在的重要应用价值,矢量光束的偏振调控以及偏振特性的应用探索已成为当前的研究热点之一。矢量光场的非均匀偏振分布对光场的空时演化及光场与物质的相互作用有重要影响,由此产生了许多新颖特性。尤其是矢量光束在紧聚焦场中的独特性质展现了广阔的应用潜力,其新效应、新现象和新应用对当前的科学发展和技术进步产生了越来越深远的影响。本论文对矢量光场的生成、聚焦特性、以及调控和应用技术进行了理论和实验研究,主要研究内容如下：1.综述了矢量光束的特性,讨论了矢量光束的产生方法,针对主动生成和被动生成的两类技术路线,分别回顾了激光谐振腔内设计生成矢量光场和激光谐振腔外生成矢量光场的多种实验方案。矢量光束自提出以来,各类相关研究工作中关于实验生成矢量光束的装置与方案不断创新,特别是液晶空间光调制器的应用使得矢量光束的生成方法具有很大的灵活性。本研究组提出了一种偏振和相位独立可控的新型矢量光束的实验生成方案,该方法基于4f系统中光波的自相干分解与合成,将一维光栅编码方法推广至二维全息光栅编码,增加了矢量光束调控的相位自由度,实现空间任意变化的结合偏振和位相独立调控的矢量光束。2.基于Richards-Wolf矢量衍射理论,运用角谱理论重新表达了基于傅里叶变换的矢量衍射积分,分析了几种不同类型矢量光束聚焦场的强度、相位及偏振分布。提出了针对空间变化的偏振和相位独立可调控的矢量光束的新的优化设计方法,结合快速傅里叶变换和Gerchberg-Saxton(GS)算法,运用快速迭代计算方法确定入射场和焦场的光场分布,从而实现特定结构的焦场。提出的新方法突破了运用光波位相实现目标焦场的传统思路,能够方便快捷地计算焦场的分布。基于液晶空间光调制器对于光波实时灵活调制的特性,实验上可以动态生成出各种新颖的矢量光场,进一步验证了这种优化设计方案的可行性和有效性。3.在已有的相位和偏振调控矢量光束的基础上,进一步通过理论研究和实验验证,提出振幅自由度调控的思想。针对高数值孔径聚焦场分布情况,研究聚焦过程的入射和出射矢量光束间的矩阵变换关系,加入二维全息光栅调制深度之后,实现了结合偏振、相位、振幅的聚焦场分布全矢量调控的快速计算。并将二维光场调控推广到三维多平面的光场设计,实现了入射场与焦场区块之间针对体积的迭代优化算法。4.为了实现对矢量光束聚焦场的更加灵活高效地调控,研究分析了聚焦光场的光束整形技术。通过偏振态呈径向周期性变化的混合型偏振光束的紧聚焦产生具有强纵向偏振分量的超长光针形聚焦场(约12λ),这种光针沿光轴强度分布一致并且直径小于1λ；利用柱矢量光束获得直径亚波长级的超长光管形聚焦场,并分析了其内部偏振结构。进一步研究这种特殊的焦场结构有望在光学微操纵、原子囚禁以及光学成像等领域获得新奇的效应与应用。
【作者】郝晶晶；
【导师】丁剑平；
【作者基本信息】南京大学，物理学，2014，博士
【关键词】偏振态；矢量光束；聚焦；光束整形；光学微操纵；傅里叶变换；

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