基于液晶空间光调制器的轴对称偏振光束的产生方法研究

摘要

轴对称偏振光束作为一种新型光束，具有独特的偏振结构和光学特性，因此被广泛应用于激光加工和光学捕获等领域。为了获得轴对称偏振光束，人们提出了许多产生方法，其中大多数方法仅能获得一种或者几种类型光束。为了解决这个问题，本文提出了一种基于马赫曾德尔干涉仪搭配液晶空间光调制器的方法，该方案具有简易的光路结构和较低的光束能量损耗，可以获得高阶庞加莱球上任意轴对称偏振光束。通过搭建实验平台验证了该方案可行性，同时研究了轴对称偏振光束在自由空间的传输特性。具体研究内容如下： (1)本文介绍了轴对称偏振光束的基本概念和研究现状。列举了目前常用的几种轴对称偏振光束产生方法，分析了它们的优缺点。为了获得更多模式的轴对称偏振光束，本文提出了一种基于马赫曾德尔干涉仪搭配液晶空间光调制器的产生方法。 (2)本文研究了轴对称偏振光束的相关理论。其中重点介绍了基于斯托克斯系数建立的高阶庞加莱球形式以及基于圆偏振涡旋基矢推导的琼斯矩阵形式。通过这两种表示形式，剖析轴对称偏振光束的偏振结构和产生原理，阐述了四分之一波片在进行不同号高阶庞加莱球转换中的作用。同时绘制了拓扑荷数m=±1高阶庞加莱球示意图并介绍了测量光束斯托克斯系数的方法。 (3)本文通过搭建实验平台，验证了实验方案可行性。基于马赫曾德尔干涉仪光路，该方案使用二分之一波片搭配偏振分光棱镜组合调节支路光束振幅，配合由两个二分之一波片组成的旋光元件，实现高阶庞加莱球上任意轴对称偏振光束的产生和转换。实验获得了包括拓扑荷数m=±1高阶庞加莱球赤道上各自两个点、沿2?=0经线上（包括南北极点）各自九个点对应不同类型的轴对称偏振光束，验证了本文实验方案的可行性。 (4)本文研究了轴对称偏振光束在自由空间的传输特性。在菲涅耳衍射与夫琅和费衍射条件下，推导了轴对称偏振光束在自由空间传输的电场表达式，通过Matlab模拟仿真，分析了不同拓扑荷数和传输距离对径向偏振光束在自由空间传输的影响。随后搭建实验平台，在传输距离z=50cm条件下，分别获得拓扑荷数m=+1、m=+2和m=+3径向偏振光束的光强分布；在拓扑荷数m=+2条件下，分别获得径向偏振光束在传输距离z=30cm、z=50cm、z=100cm以及无穷远处的光强分布。仿真结果和实验结果均表明，径向偏振光束在自由空间传输过程中始终保持中空环状的强度分布，随着拓扑荷数m值的增大，空心环半径变大，光束强度峰值变大；随着传输距离的不断加长，光斑尺寸不断变大，光束强度峰值变小。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 基本概念

1.3 轴对称偏振光束的发展和研究现状

1.3.1 腔内产生法

1.3.2 腔外产生法

1.4 轴对称偏振光束的光学特性和应用

1.4.1 激光切割

1.4.2 光学捕获

1.4.3 显微成像

1.5 本文的主要研究内容

第2章 轴对称偏振光束的基本理论

2.1 引言

2.2 高阶庞加莱球和斯托克斯系数

2.3 轴对称偏振光束的琼斯矩阵形式

2.4 液晶空间光调制器的相位调制

2.4.1 液晶的光学特性

2.4.2 液晶空间光调制器的基本原理

2.5 本章小结

第3章 轴对称偏振光束的生成

3.1 引言

3.2 实验装置

3.3 实验结果

3.4 本章小结

第4章 轴对称偏振光束在自由空间的传输特性研究

4.1 引言

4.2 光束传输的主要研究方法

4.2.1 矩阵光学法

4.2.2 波动光学方法

4.2.3衍射积分法

4.3 轴对称偏振光束的传输模型

4.3.1 轴对称偏振光束在菲涅耳衍射区域

4.3.2 轴对称偏振光束在夫琅和费衍射区域

4.4 轴对称偏振光束在自由空间中的传输特性

4.4.1 菲涅耳衍射区域仿真结果

4.4.2 夫琅和费衍射区域仿真结果

4.5 实验结果

4.5.1 菲涅耳衍射区域

4.5.2 夫琅和费衍射区域

4.6 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读学位期间获得与学位相关的科研成果目录