杂化偏振矢量光束紧聚焦和焦斑整形研究

摘要

光的重要性质中，人们对频率、振幅、相位等几个性质早已进行了深入的研究。近年来，光的另一个重要性质——偏振性成为了人们研究的热点，尤其是对非均匀偏振分布的矢量光束的研究引起了研究人员极大的兴趣。柱矢量光束作为最基本和最简单的矢量光束，由于其独特的聚焦特性和潜在的应用价值得到了人们广泛的研究。如径向偏振光经过高数值孔径透镜紧聚焦后焦区的光场会有非常强的纵向分量，使得其在超分辨聚焦、光存储、光刻等领域有着突出的应用。除了柱矢量光束，最近研究人员生成了按照任意规律分布的局域线偏振矢量光束和同时包含线偏振、圆偏振、椭圆偏振的杂化偏振矢量光束，使得矢量光束得到丰富，为产生新奇的紧聚焦特性提供了可能性。本论文以其中一种杂化偏振矢量光束为研究对象，分别研究了径向变化杂化偏振矢量光束和角向变化杂化偏振矢量光束的紧聚焦特性。然后针对径向变化杂化偏振矢量光束，分别用环形光阑和二元相位元件对其调制，进行焦斑整形的研究。主要的研究内容和结论如下：1.详细介绍了本论文所作研究依据的理论基础——Richards-Wolf矢量衍射理论，这个理论推导出入射光为均匀振幅分布的x方向线偏振光紧聚焦后焦区的光场表达式。我们在此基础上推导出更为普遍的入射光为任意振幅分布的沿x方向和沿y方向偏振的线偏振光经过高数值孔径透镜
　　1.详细介绍了本论文所作研究依据的理论基础——Richards-Wolf矢量衍射理论，这个理论推导出入射光为均匀振幅分布的x方向线偏振光紧聚焦后焦区的光场表达式。我们在此基础上推导出更为普遍的入射光为任意振幅分布的沿x方向和沿y方向偏振的线偏振光经过高数值孔径透镜紧聚焦后焦区的光场表达式。
　　2.分别研究了径向变化杂化偏振矢量光束和角向变化杂化偏振矢量光束的紧聚焦特性。对径向变化杂化偏振矢量光束,研究了线偏振基矢的取向角Ф0,偏振分布的初相位δ0和径向指数n对紧聚焦特性的影响。研究发现,取向角的变化会使焦平面上的焦斑旋转相应的角度;初相位的变化会影响焦平面上的焦斑形状;径向指数由小变大时,轴截面上将由一个焦斑分裂成两个焦斑,并且两个焦斑之间的距离随径向指数的增大而增大,同时焦平面上由一个椭圆形焦斑变成一个环形焦斑,并且环的半径随径向指数的增大而增大。对角向变化杂化偏振矢量光束,研究了线偏振基矢的取向角Ф0,偏振分布的初相位δ0和角向指数m对紧聚焦特性的影响。研究发现,取向角和初相位的改变产生的影响一致,使得焦平面上的光强分布旋转一定的角度,同时中心光强发生改变;角向指数的改变使得焦平面上形成多个焦斑,焦斑个数为2（m+1）。
　　3.针对n较大的径向变化杂化偏振矢量光束，我们首先用环形光阑对其进行焦斑整形，发现经调制的径向变化杂化偏振矢量光束紧聚焦后能形成光针状光强分布，光针的焦深随径向指数的增大而增长，焦平面上形成椭圆形焦斑，焦斑的椭圆率随径向指数的增大而增大。为了提高光能利用率，我们用二元相位元件对径向指数为1的径向变化杂化偏振矢量光束进行焦斑整形，通过matlab遗传算法对二环到八环相位元件进行优化，调制后得到了光针。光针的焦深随环数的增多而增长，焦平面上的焦斑随环数的增多由椭圆形变为近似圆形。最后通过对光针范围内不同位置横截面光强分布的研究，发现两种方法形成的光针横截面的光强分布沿光束传播方向都存在旋转现象。径向指数的正负控制旋转的方向，取向角的改变能够使光针沿光轴旋转一定的角度。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 矢量光束概述

1.2 国内外研究现状

1.3 本论文的主要研究内容

第二章 理论基础

2.1 Richards-Wolf矢量衍射理论

2.2 任意振幅分布线偏振光的紧聚焦理论

2.3 斯托克斯参量和庞加莱球

2.4 本章小结

第三章 杂化偏振矢量光束的紧聚焦特性研究

3.1 杂化偏振矢量光束的紧聚焦理论

3.2径向变化杂化偏振矢量光束的紧聚焦特性研究

3.3 角向变化杂化偏振矢量光束紧聚焦特性研究

3.4 本章小结

第四章 径向变化杂化偏振矢量光束焦斑整形研究

4.1 利用环形光阑进行焦斑整形

4.2 利用环形二元相位元件进行焦斑整形

4.3 光针横截面的光强分布图样旋转现象

4.4 本章小结

第五章 总结

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

附录