径向偏振高次方指数涡旋光束的紧聚焦特性

为了获得一些具有特殊光强分布的波长量级聚焦 光斑,理论研究了具有径 向偏振特性的高次方涡旋光束经过大数值孔径透镜的聚焦。基于矢量德拜理论,对 径向偏振高次方涡旋光束经过大数值孔径透镜聚焦的光强和相位进行了数值模拟 研究。关于聚焦平面光强分布的研究发现,聚焦光斑的光强与高次方涡旋光束的拓 扑荷数和幂次方数有关。拓扑荷数为1的一次方涡旋光束的聚焦光强呈现圆对称分 布,随着光束幂次方数的增加,演变为非圆对称分布。拓扑荷数为2的一次方涡旋 光束的聚焦光斑为中空的圆对称分布,随着光束幂次方数的增加,其暗核形状会变 化并最终消失。紧聚焦的径向偏振光会产生较强的纵向分量,因此本文还研究了光 束的纵向相位分布,研究发现纵向相位奇点的数目与涡旋光束的拓扑荷数相同。获 得了不同光强分布的尺寸为波长量级的聚焦光斑,这些研究结果有望在基于激光的 光学操控中得到应用。     

圆柱偏振贝塞耳-高斯光束经高数值孔径透镜的聚焦

利用里查德-沃耳夫(Richards-Wolf)矢量衍射积分模型,推导了圆柱偏振贝塞耳-高斯(CPBG)光束经高数值孔径透镜聚焦的光场表达式,并用数值计算分析了各相关参数的取值变化对焦面及焦点附近光强分布的影响。研究表明,焦面光强大小及光强剖面形状与贝塞耳函数项相关参数β,偏振旋转角0,光束束腰宽度w0和数值孔径角α的取值相关。通过控制各相关参数的取值,在聚焦场中获得了有广泛实际应用的具有涡旋性质的局域空心光束和平顶光束。     

部分相干复宗量厄米-高斯光束捕获两种类型粒子

基于互谱密度函数和瑞利散射理论,推导了聚焦部分相干复宗量厄米-高斯光束的光强分布和作用在瑞利电介质球上辐射力的解析表达式,并进行了相应的数值计算。结果表明:当横向相干长度较大时,聚焦部分相干复宗量厄米-高斯光束具有空心光束的轮廓,空心的尺寸随着光束阶数的增加而增大;随着相干度的逐渐减小,聚焦部分相干复宗量厄米-高斯光束逐渐转化成高斯光束,光强的峰值随着光束阶数的增加而减小。通过改变光束的相干度,选择合适的光束阶数、光束腰宽及透镜的焦距长度,可实现对折射率不同的两类粒子的大范围、稳定捕获,所得结论对光学捕获具有一定的理论参考价值。     

矢量涡旋光束经光阑-透镜系统的OAM与偏振特性

与标量涡旋光束不同,矢量涡旋光束同时具有各项异性的空间偏振分布和螺旋相位分布,并携带与相位分布有关的轨道角动量(Orbital angular momentum,OAM)。根据柯林斯衍射积分理论,得到了傍轴近似条件下矢量涡旋光束的OAM密度,实验采集了矢量涡旋光束通过光阑-透镜系统后的光场,详细讨论了光阑截断参数以及光阑-透镜间距等参数对矢量涡旋光场及其OAM密度的影响。结果表明:相比标量涡旋光束,矢量涡旋光束OAM通过光阑系统后随传输距离的衰减更慢,受光阑截断参数影响更小。矢量涡旋光束偏振态不受光阑-透镜系统影响,截断参数大于4.2时,轨道角动量密度和光强不受截断参数影响。在透镜焦点位置处,OAM密度达到最大值。研究结果为矢量涡旋光束OAM特性的应用提供理论依据。     

部分相干光束的光束整形

从理论上研究部分相干光束经透镜的聚焦.研究结果表明,在几何焦平面的光强分布不仅依赖于入射部分相干光束的光强分布,而且还依赖于入射光束的空间相干度.据此,提出了一种控制部分相干光束的空间相干度,在几何焦平面获得平顶部分相干光强分布的新方法.     

部分相干径向偏振涡旋光焦场轨道角动量特性

将部分相干径向偏振涡旋光束的轨道角动量应用于焦场目标探测,根据部分相干及Richards-Wolf矢量衍射积分理论,推导了光束焦场目标平面处的光场分布,讨论了焦平面处的轨道角动量密度分布特性,分析了入射光束的相干长度和聚焦透镜的数值孔径对纵向分量轨道角动量密度分布和轨道角动量的影响。结果表明,随着相干长度的增大,轨道角动量和轨道角动量密度迅速变大,当增大至0.5 cm后,轨道角动量和轨道角动量密度的变化趋于平缓,此后,相干长度的变化不再影响轨道角动量和轨道角动量密度分布。随着数值孔径的增大,轨道角动量和轨道角动量密度始终表现出增长的变化趋势,并且,变化程度在数值孔径大于0.7后越来越大。     

方位角偏振光聚焦光斑的研究

对方位偏振平面波、高斯光束、贝塞尔-高斯光束和双环拉盖尔-高斯光束的聚焦特性进行了理论计算,分析了物镜数值孔径和截断因子对焦平面上光强分布、中心暗斑半径的影响,以及加入中心遮拦光阑对焦深和中心暗斑半径的影响。研究发现,4种模式光束形成的聚焦场中心暗斑半径随着数值孔径的增大,单调减小,其大小与数值孔径成反比,与波长成正比;截断因子的改变仅影响高斯光束和贝塞尔-高斯光束中心暗斑半径的大小,对其旁瓣强度的影响较小,但会使得双环拉盖尔-高斯光束焦场光强重新分配,能够形成等光强的双亮环结构;加入中心光阑能够减小焦平面上中心暗斑半径并增大焦深。     

振幅调制高斯光束的聚焦特性及焦深

为了研究在不同数值孔径情况下振幅调制高斯光束的聚焦特性和焦深,采用基于德拜近似条件的矢量衍射理论进行了计算和数值模拟。模拟结果显示,在低数值孔径的光学系统中,焦平面上的光强分布呈圆形;而在高数值孔径的光学系统中,由于存在去偏振效应,光强的分布呈椭圆形分布。结果表明,可以通过改变几何参量和高斯光束的振幅调制参量的幂指数n调节焦点大小和焦深。     

涡旋光束经过轴棱锥后的聚焦特性

研究了涡旋光束通过轴棱锥聚焦后的聚焦特性。利用惠更斯-菲涅耳衍射积分理论推导了涡旋光束经过轴棱锥聚焦后所获得的聚焦光强分布。数值模拟结果表明,涡旋光束经过轴棱锥聚焦后可获得高阶贝塞尔光束。研究了不同锥角的轴棱锥对涡旋光束聚焦特性的影响以及不同拓扑电荷数对聚焦特性的影响。结果表明,在轴棱锥对应的最大准直距离内,所获得的高阶贝塞尔光束保持了原有的无衍射特性。     

径向偏振双曲正弦高斯光束深聚焦产生光链的研究

基于Richards-Wolf的矢量衍射积分公式,研究了径向偏振双曲正弦高斯光束经过衍射光学元件(DOE)和高数值孔径(NA)透镜组成的光学系统后的聚焦特性,分析了相关参量对深聚焦特性的影响。研究表明,入射光束经过此光学系统后,在焦点附近产生沿光轴方向的三维多点光俘获结构——光链;改变相关参数,在焦平面附近产生一种针形光束—光渠。这些结果对于径向偏振双曲余弦高斯光束在粒子操控等方面的应用有着重要意义。     

近轴圆对称光束的角动量及其应用

本文简单介绍了光场角动量的基本定义与概念，各类圆对称光束的角动量。同时，光束角动量能通过π／2模式转换器产生，由此修正光束的位相结构。光的吸收可以同时导致光束的自旋角动量或轨道角动量转移给微米粒子，就像光学镊子一样引起粒子的转动，从而形成光学扳手。另外，简单介绍了圆对称光束作为光学镊子和光学扳手在微米粒子和生物细胞的光学导引、囚禁与操控等领域中的应用。     

弱湍流大气中部分相干涡旋光束的轨道角动量特性

根据轨道角动量谱理论,推导了部分相干拉盖尔-高斯光束轨道角动量态的功率表达式。分析了相干长度、束宽对轨道角动量的影响,讨论了弱湍流大气中部分相干-拉盖尔高斯光束轨道角动量特性。结果表明:部分相干拉盖尔-高斯光束在相干长度与束腰半径比值固定的情况下,其初始轨道角动量态相对功率不会随着束腰半径的改变而变化。在部分相干拉盖尔-高斯光束初始相干长度与束腰半径取值大小相同的情况下,随着束腰半径的增大,光束在弱湍流大气中传输1 km处的初始轨道角动量态相对功率减小。     

晶体微粒光致旋转的角速度受其厚度影响分析

从理论上分析了光束自旋角动量使晶体微粒光致旋转的原理。基于MATLAB模拟了不同激光功率下晶体微粒的厚度与其旋转角速度的变化关系,并给出了同一激光功率下不同厚度的晶体微粒获得最大旋转角速度时的理论数据。该结果对实验中如何有效地提高晶体微粒的旋转角速度有一定的指导意义。     

聚焦部分相干平顶涡旋光束对瑞利粒子的捕获

基于广义惠更斯-菲涅尔原理和瑞利散射理论,推导了聚焦部分相干平顶涡旋(partially coherent flat-topped vortex, PCFTV)光束作用在瑞利微粒上辐射力的表达式,主要研究聚焦PCFTV光束对不同折射率的两种粒子的捕获情况。研究结果表明,聚焦PCFTV光束可以在焦点处捕获高折射率和低折射率的粒子。随着光束阶数的增大以及相关长度的减小,光束对微粒的捕获能力增强。所得结果对PCFTV光束应用于光学操控具有一定的意义。     

高阶拉盖尔-高斯径向偏振光束强聚焦产生的光链

基于Richards-Wolf的矢量衍射积分公式,研究了 高阶拉盖尔-高斯径向偏振光束经过衍射光学 元件(DOE,diffractive optical elements)和高数值孔径(NA)透 镜组成的光学系统后的聚焦特性。根据数值模拟结果, 比较了相关参量的变化对深聚焦特性的影响。研究表明,入射光束经过此光学系统后,在焦 点附近产生沿 光轴方向的三维多点光俘获结构—光链,并且入射光束的相关参数和聚焦透镜的NA大小都会影响光束的聚焦特性。     

Ince-Gaussian矢量光场束腰位置对紧聚焦特性影响的研究

为了获得Ince-Gasussian矢量光场束腰位置对紧聚焦特性的影响规律,采用正交偏振的奇偶模式叠加理论和Richards-Wolf矢量衍射积分理论,对不同束腰位置的Ince-Gaussian矢量光场紧聚焦特性进行了研究。结果表明,在高数值孔径聚焦条件下,入射Ince-Gaussian矢量场的束腰距离透镜位置z_i在一定瑞利长度z_R范围内(z_i < 0.5z_R)改变时,其聚焦场的横向场结构即光强与偏振态分布,依然可以保持稳定;通过聚焦场相位结构分析,给出了在束腰距离透镜位置z_i超过一定瑞利长度z_R范围(z_i>0.5z_R)时,影响横向场结构不稳定的原因;聚焦场纵向偏振分量作为聚焦场的一个自由度,被证明可以用来构建更加丰富的矢量结构光场。此研究结果对复杂结构矢量光场在光学微操控与光信息存储方面的研究有重要参考价值。     

利用具有自旋角动量的光束实现微粒的旋转

从理论上分析了偏振光束与双折射晶体粒子的相互作用过程,讨论了由于光束自旋角动量向晶体粒子的传递所导致的光致旋转效应的原理.研究了粒子的旋转频率随激光功率的变化关系,讨论了粒子自身的性质,如厚度、半径和晶体粒子的光轴取向等因素对粒子光致旋转转动速度与激光功率关系的影响.     

光阱中的CaCO3晶体微粒的光致旋转

从理论上分析了偏振光束与双折射晶体粒子的相互作用过程，讨论了由于光束自旋角动量向晶体粒子的传递所导致的光致旋转效应的原理，并在纳米光镊装置上利用线偏振He-Ne激光器(633nm，10mW)形成了光镊光阱，利用1／4波片来改变光镊光束的偏振状态，在不同的椭圆偏振状态下实现了直径约为几微米的CaCO晶体微粒的捕获和光致转动。同时利用CCD相机和四像限探测器(QD)测量了粒子光致旋转的转动频率，研究了粒子的旋转频率随激光功率的变化关系。结合实验结果从理论上详细讨论了粒子自身的性质，如厚度、半径和晶体粒子的光轴取向等因素对粒子光致旋转转动速度与激光功率关系的影响。