基于介质-金属光栅镜的角向偏振光产生及其特性研究

摘要

角向偏振光由于在提高激光打孔深度和焊接质量，有效引导原子以及突破衍射极限等领域展现出独特的优势而广受关注。本论文针对光栅内腔法产生角向偏振光，设计并制作了一种介质-金属复合光栅镜用于轴快流CO2激光器的尾镜，实现了角向偏振光输出。主要的研究内容如下:
　　(1)基于严格耦合波分析方法设计了一种介质-金属复合圆形亚波长光栅镜。由于在光栅栅槽中引入了随机分布的纳米柱结构，相比于普通镀金光栅该光栅的偏振选择性显著提高。通过对光栅模场的研究，证实其高偏振选择性的物理机制在于金属包裹的栅脊能高效反射TE偏振，而TM偏振能激励起栅槽中的波导模式并能通过具有介质属性的纳米柱层泄漏至基底而使其反射率降低。通过对光栅占空比和刻蚀深度的研究，证实了光栅具有非常大的制作容差。
　　(2)研究了锗光栅的伪博世刻蚀工艺，比较了无定型锗、晶体锗和硅在SF6\C4F8气氛下的刻蚀特性。只有在无定型锗光栅栅槽中得到了随机分布的锗纳米针。通过控制SF6的流量可以控制光栅刻蚀速率和形貌。然后，采用镀膜工艺制作出了介质-金属复合光栅。最后，将该光栅作为谐振腔尾镜在轴快流CO2激光器上获得了550W的角向偏振光输出。与普通对称球面腔相比，光栅镜谐振腔的电光效率要稍低于对称球面腔的效率，主要原因在于一方面光栅镜对TE偏振的反射率稍低于球面反射镜的反射率，另一方面由于角向偏振光的中心光强为零，降低了激光提取效率。
　　(3)研究了圆形光栅谐振腔的模式特性。采用傍轴近似下的矢量瑞利-索末菲衍射积分通过 Fox-Li迭代的方法计算了介质-金属复合亚波长圆形光栅镜谐振腔的模式，证实了角向偏振 LG01*模为该谐振腔的一个最低阶本征模式。并得出了要在圆形光栅镜谐振腔中获得高纯度矢量偏振光，光栅镜本地TE和TM偏振的反射率之差应至少大于4％的结论。进一步讨论光栅谐振腔的倾斜和离轴失调，这两种失调均会导致模场均匀性降低和偏振退化，但是由于偏振退化非常小可以忽略。通过有限元方法对光栅镜热形变的研究，表明光栅的热形变导致光栅镜曲率半径增大进而影响谐振腔的模式。
　　(4)研究了角向偏振光经过圆形光栅的非傍轴衍射特性。基于非傍轴矢量瑞利-索末菲衍射积分，计算得到了拉盖尔高斯矢量偏振光的圆形光栅非傍轴衍射场的电场分布。矢量偏振光的圆孔衍射以及自由空间中的传输可以当作其特例。研究表明角向偏振光的衍射场强度分布与角向偏振光的阶数、束腰大小以及光栅的周期、占空比和中心通光孔径有关。当束腰宽度比较大时，非傍轴衍射场的傍轴近似有效。角向偏振光的衍射场依然为角向偏振，而径向偏振光的衍射场由于出现了轴向场分量，其偏振态在ρ-z平面内退化为椭圆偏振。
　　(5)基于Debye近似下的矢量衍射积分理论，研究了角向离散扇形相位板调制后的低阶矢量偏振光的聚焦特性。零阶角向和径向偏振光聚焦场的焦平面上均出现一个环状亮点光链。亮点数目等于扇形相位延迟片的数目，且每个亮点类似于椭圆型。亮点的尺寸可通过聚焦透镜的数值孔径调节。其中角向偏振光的聚焦场中仅存在横向场分量，所得到的亮点深度大。一阶角向偏振光的聚焦平面上有三个共心交错的亮点光链，但由于相互有重叠，深度降低。而采用一阶径向偏振光入射时，可得到空心暗点组成的环状光链。以上所有亮点和暗点光链在轴向均呈条状分布，因此这些光链可望应用于对多个条状微粒的捕获或排列。

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1 绪论

1.1 角向偏振光的简介

1.2 角向偏振光的应用

1.3 国内外研究现状

1.4 本论文的研究内容

2 光栅镜的设计

2.1 严格耦合波算法

2.2 光栅镜的设计

2.3 本章小结

3 光栅镜的制作工艺及角向偏振光产生的实验研究

3.1 Ge的伪博世刻蚀工艺研究

3.2 基于光栅镜的角向偏振光产生实验

3.3 本章小结

4 光栅镜谐振腔模式和光栅镜的热特性

4.1 光栅镜谐振腔的模式研究

4.2 光栅镜倾斜和离轴失调特性

4.3 光栅镜的热稳定性研究

4.4 本章小结

5 角向偏振光的圆形光栅衍射特性

5.1 矢量偏振光圆形光栅衍射理论模型

5.2 非傍轴衍射场的计算结果和讨论

5.3 本章小结

6 角向偏振光的角向相位调制聚焦特性

6.1 矢量偏振光的聚焦理论

6.2 角向相位调制后的角向和径向偏振光聚焦

6.3 本章小结

7 全文总结与展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文目录

附录2 攻读博士学位期间参与的科研活动

附录3 攻读博士学位期间获奖情况