矢量光场的紧聚焦特性及其焦场调控的研究

摘要

相对于传统的空间均匀偏振态的标量光场（典型的为线偏振光和圆偏振光），矢量光场具有空间变化的偏振态，它丰富的偏振态会使其在被紧聚焦时出现一些新效应。本论文主要对矢量光场的生成，紧聚焦及其典型应用进行了理论研究，主要研究内容如下:
　　首先从物理上和数学上对矢量光场给出了概述，从而认清了矢量光场与标量光场的联系与区别。然后分别从主动方法和被动方法两方面，简要介绍了在激光谐振腔内使矢量光场模式起振从而直接生成矢量光以及在激光谐振腔外放置光学元器件将常规的标量光转化为矢量光的若干技术。其中，我们对一种基于信息光学中著名的4f系统来生成任意矢量光场的被动生成方法进行了较为详尽的描述。
　　由于目前众多的矢量光场的应用大都基于它独特的紧聚焦场，所以，我们不可避免地探讨了矢量光场在大数值孔径物镜聚焦下的紧聚焦特性。通过矢量衍射理论:Richards-Wolf矢量积分，我们对矢量光场中的两种基矢光场:径向偏振光与角向偏振光的聚焦场进行了计算。为了对比，我们还在同等条件下分别计算了一种更一般的矢量光场以及一种线偏振的标量光场的聚焦场。根据矢量光场的聚焦特性，我们分别以激发表面等离子体共振，微粒的捕获与操控以及激光的微纳加工等情形为例概述了矢量光场的典型应用。
　　接下来，在超衍射极限焦斑的获取和三维光学围栏的研究方面详细说明了本文的重点研究方向，创新点以及我们的研究成果。
　　在压缩焦斑的研究上，基于前人已报道的研究方法和途径:环形照明的紧聚焦，环形同心相位板的使用，高阶径向偏振光的紧聚焦特性以及4π紧聚焦装置的引入，我们找到了最佳的入射光场:高阶径向偏振光;和性能更好的紧聚焦系统:4π聚焦装置。通过这两种常规方法的结合，我们得到非常有趣的结果，并在获取更小焦斑上取得了一定突破。
　　在三维光学围栏的研究上，使用四种入射光:双环拉盖尔-高斯径向偏振光，双环均匀径向偏振光，双环贝塞尔-高斯径向偏振光和双环高斯径向偏振光，分别生成了三维光学围栏。为了看清它们各自的优势与劣势，我们在同样的聚焦条件下从光场梯度力和围栏均匀性两方面对四种光学围栏进行了对比。根据它们的表现，在超分辨的荧光显微镜和捕获低折射率的微粒的光镊等具体应用上为我们因地制宜地选择合适的入射光给出了指导意见。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

第一节 矢量光场的物理概述

第二节 矢量光场的数学描述

1．2．1 标量光场的导出

1．2．2 矢量光场的导出

第三节 本论文主要研究内容

第二章 矢量光场的生成

第一节 矢量光场的主动生成方法

第二节 矢量光场的被动产生方法

第三节 基于4f系统的被动生成方法

第四节 本章小结

第三章 矢量光场的紧聚焦特性及其应用

第一节 矢量光场紧聚焦的研究方法及其聚焦场的计算

3．1．1 Richards-Wolf矢量衍射积分

3．1．2 径向偏振光与角向偏振光的聚焦场

3．1．3 一般矢量光场的紧聚焦

3．1．4 线偏振光的紧聚焦

第二节 矢量光场与标量光场紧聚焦的对比

第三节 矢量光场的应用

3．3．1 激发表面等离子体共振

3．3．2 微粒的捕获与操控

3．3．3 激光的微纳加工

第四节 本章小结

第四章 超衍射极限焦斑的获取

第一节 调控入射光场获得超衍射极限焦斑的途径

4．1．1 使用光阑的环形紧聚焦

4．1．2 使用同心环形相位板

4．1．3 高阶径向偏振光的紧聚焦

第二节 改善聚焦系统获得超衍射极限焦斑的途径

第三节 由4π紧聚焦高阶径向偏振光获得超衍射极限焦斑

第四节 本章小结

第五章 三维光学围栏的生成

第一节 生成三维光学围栏的矢量光场

第二节 本征光场生成光学围栏的计算和模拟

第三节 人造光场生成的光学围栏

第四节 不同光场生成的三维光学围栏的对}匕

第五节 本章小结

第六章 总结与展望

第一节 研究总结

第二节 工作展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读硕士期间发表的学术论文与研究成果