基于涡旋奇点构建超振荡光场的理论与实验研究

摘要

传统的光学系统存在衍射极限，这使得尺寸小于入射光波长二分之一的物体无法被分辨出来，而超分辨技术一直是光学领域的研究重点。近年来有研究提出可以利用光学的超振荡现象来突破光场的衍射极限从而实现光学超分辨，而超振荡是指具有一定函数结构的光场在局部区域会产生比其傅立叶频谱带宽上限还高的分量。在理论和实验上构造一种同时实现超振荡和涡旋的新型光场。　　第一，我们介绍了超振荡光场的研究现状以及主要的理论构造方法，其主要分为通过优化算法来设计超振荡透镜并通过电子束和等离子束来刻蚀来制备样品，其次则是通过设计相位全息掩膜板并且借助空间光调制器(SLM)以及高数值孔径物镜聚焦实现超振荡光场。　　第二，我们从理论基于复数多项式与高斯函数乘积构造了超振荡光场，并且发掘该种光场的一些应用前景以及研究其传播动力学。基于先前构造的超振荡光场我们在理论上计算了其局域空间频率(Local Wave Number)，并且发现光场的相位奇点处的局域空间频率尖峰具有成为新型光学标尺的潜力，于是我们针对影响尖峰的FWHM的因素展开了研究。　　第三，我们对基于异性涡旋构造的超振荡光场的进行推广，通过共轭复数多项式引入负奇点，这使得光场能够同时存在不同性质的涡旋奇点，即奇点携带不同性质的拓扑荷。我们从傍轴理论研究了该种光场的传播动力学，发现了奇点的湮灭现象与奇点的移动，并且奇点移动规律与基于只有一种类型多项式构造的光场完全不同。　　最后，通过介绍了空间光调制器的相位校验以及相位全息图的编码方法，我们生成了需要的相位全息掩膜板并且搭建实验系统进行验证。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 光学超振荡

1.2 光学超振荡研究现状

1.3 涡旋光场

1.4 本论文的研究内容

1.5 本章小结

第二章 基于同性涡旋奇点构建超振荡光场的理论

2.1 多项式与超振荡

2.2 超振荡涡旋奇点阵列

2.3 超振荡涡旋结构的传播动力学

2.4 局域空间频率

2.5 本章小结

第三章 基于异性涡旋奇点构建超振荡光场的理论

3.1 正负奇点的引入方法

3.2 超振荡函数的傅立叶变换

3.3 超振荡异性奇点的传播动力学

3.4 本章小结

第四章 基于涡旋奇点构建超振荡光场的实验

4.1 SLM的相位校验方法

4.2 SLM的编码方法

4.2.1 SLM的二进制计算全息编码方法介绍

4.2.2 连续型相位编码方法介绍

4.3 实验系统搭建与结果

4.4 本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

在学期间发表论文的清单

参考文献

致谢