中空圆柱矢量光束的紧聚焦特性研究

摘要

圆柱矢量光束的偏振具有轴对称性，可分解为径向偏振成分与角向偏振成分。近年来，圆柱矢量光束的紧聚焦特性引起了极大的关注，可广泛应用于高密度的数据存储、二次谐波的产生、拉曼光谱、粒子操控、纳米光刻、激光切割、材料加工、粒子加速、高分辨率成像、全光磁记录与自旋波操控等领域。因此，探究与优化圆柱矢量光束的紧聚焦特性具有重要的实际意义。本论文基于矢量衍射理论与逆法拉第效应，通过特殊二元滤波器与干涉效应对光束波前的调制，系统研究了中空径向偏振光、角向偏振光、径向偏振涡旋光与角向偏振涡旋光的光场紧聚焦特性及光诱导的磁性紧聚焦特性，主要研究内容如下：
　　基于矢量衍射理论，研究了紧聚焦的中空径向偏振光形成亚波长的纵向偏振光针。在通光孔径中，比较了径向偏振拉盖尔-贝塞尔-高斯(LBG)光束与拉盖尔-高斯(LG)和贝塞尔-高斯(BG)模式的聚焦特性；为了提高聚焦性能，优化设计了特殊的三环形相位滤波器，并探讨了它对径向偏振LBG光束紧聚焦特性的影响，阐明了形成亚波长的纵向偏振光针与波长量级暗中空场的机理；基于瑞利散射理论，计算了这两种特殊场结构对两类不同折射率粒子施加的辐射力分布，分析了稳定捕获这两类粒子的条件。为了同时获得丰富的聚焦结构，系统研究了不同阶的径向偏振中空高斯(HG)光束的紧聚焦特性。首先，探讨了聚焦光斑的横向半高全宽与光束阶和截断参数之间的关系，分析了产生平顶光束的条件；其次，采用全局搜索优化算法设计五环形纯相位滤波器，实现了超分辨长聚焦深度的纵向偏振光针；最后，基于自主设计的三环形振幅滤波器，数值模拟了不同光束阶对径向偏振HG光束聚焦特性的影响，采用干涉理论阐明了形成准周期光链与超分辨长聚焦深度的纵向偏振光针的原因。
　　紧聚焦的中空角向偏振光实现亚波长的横向偏振光针的研究。分析了不同截断参数与偏振对双环形角向偏振 LG涡旋光束紧聚焦特性的影响；为了有效的减小旁瓣以及消除焦移现象，采用全局优化搜索算法设计了七环形涡旋混合滤波器，同时获得了超分辨长聚焦深度的横向偏振光针；通过计算斯托克斯偏振参量，得到方位角与椭圆率的空间变化规律，进一步证实了聚焦场的横向偏振性。
　　4π高数值孔径物镜聚焦的径向偏振HG涡旋光束实现三维超分辨的横向偏振场的研究。在单高数值孔径物镜聚焦系统中，探讨了聚焦性能对于光束阶的依赖关系。为了形成亚波长的横向偏振焦斑，提出采用4π高数值孔径物镜聚焦径向偏振HG涡旋光束；基于相向传播的两束HG涡旋光各个场成分之间的干涉特性，定性的阐明了实现三维超分辨的纯横向偏振场的物理机制；通过计算平均场分布，进一步验证了局域场的横向偏振性。为了说明数值模拟结果的合理性，推导了4π聚焦的超高阶径向偏振涡旋HG光束聚焦场分布的解析表达式。
　　基于矢量衍射理论与逆法拉第效应，探究了紧聚焦的中空圆柱矢量涡旋光形成纯纵向磁化场。首先，研究紧聚焦的角向偏振艾里涡旋光束获得超分辨长聚焦深度的纯纵向磁针；剖析了艾里光束的主环半径、比例因子和螺旋相位板的旋转方向对磁化场特性的影响。此外，为了有效的操控与输运多个原子以及高效的记录与存储多层磁光数据，首次提出采用特殊设计的涡旋环形滤波器实现了单（双）通道的亚波长纯纵向偏振的磁链，讨论了内圆与外环之间的相位差对磁链移动方向与移动距离的调制。最后，提出使用4π高数值孔径物镜聚焦的径向偏振HG涡旋光形成三维超分辨的纯纵向磁化场，并从三方面阐明了产生这种特殊磁化场的物理机制；通过计算平均磁化场分布，进一步证明了光诱导磁化的纵向偏振性；讨论了磁化场的横向与纵向半高全宽与光束阶和截断参数的依赖关系，可形成球形的亚波长纯纵向偏振磁化场。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 圆柱矢量光束的紧聚焦理论

1.3 圆柱矢量光束紧聚焦的研究进展

1.4 本论文的研究目的及内容

第2章 基于中空径向偏振光的亚波长纵向偏振光针

2.1 引言

2.2 径向偏振LBG光束的紧聚焦特性

2.3 径向偏振HG光束的紧聚焦特性

2.4 本章小结

第3章 基于中空角向偏振光的亚波长横向偏振光针

3.1 引言

3.2 双环形角向偏振LG光束的紧聚焦特性

3.3 螺旋相位板调制的紧聚焦特性

3.4七环形涡旋混合滤波器调制的紧聚焦特性

3.5 本章小结

第4章 4π紧聚焦的径向偏振HG涡旋光束形成三维超分辨的横向偏振场

4.1 引言

4.2 理论分析

4.3 单物镜系统中的紧聚焦特性

4.4 4π物镜系统中的紧聚焦特性

4.5 超高阶的径向偏振HG涡旋光束的解析研究

4.6 本章小结

第5章 基于紧聚焦中空圆柱矢量涡旋光的纵向磁化场

5.1 引言

5.2 角向偏振艾里涡旋光束实现亚波长纯纵向偏振的磁针

5.3 基于涡旋二元滤波器实现纯纵向偏振的磁链

5.4 4π紧聚焦的径向偏振涡旋光实现球形亚波长纯纵向磁化场

5.5 本章小结

结论

参考文献

附录

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