基于狭槽天线超表面的复振幅光瞳滤波器

为了产生具有特殊性质的聚焦矢量光场,根据狭槽天线与线偏振片的相似性,设计了刻蚀有多个不同方向狭槽天线环形阵列的超表面,作为离散型复振幅光瞳滤波器使用。以径向偏振入射光为例,经该滤波器并经大数值孔径透镜紧聚焦后,可获得衍射受限的超长3维光管场。结果表明,由于狭槽天线具有局域调控入射光场振幅和相位的特性,各个环带上具有各自特定的透射率,同时具有特定的二元相移（0/π）分布,可以用来实现具有特殊性质的矢量光场。这种结构的超表面对矢量光束的产生与调控提供了新途径。     

紧聚焦的角向偏振艾里光束产生超分辨光针

为了研究角向偏振艾里光束的紧聚焦特性,采用理查德-沃夫矢量衍射理论分析优化了艾里光束的指数衰减因子、主环半径与比例因子对其入射光场分布的影响;分别研究了角向偏振艾里光束聚焦场分布与涡旋滤波器调制的角向偏振艾里光束的聚焦场分布,得到亚波长的角向中空场分布与亮场分布,实验结果与理论模拟基本一致。进一步利用粒子群算法设计多环涡旋相位滤波器调制角向偏振艾里光束,紧聚焦后得到了超长无衍射超分辨的横向偏振光针。结果表明,光针的半峰全宽为0.395λ,聚焦深度为37.432λ,纵横比达到94.788;通过计算斯托克斯参量分析聚焦光场的偏振分布,发现聚焦光场在径向偏振与角向偏振之间交替变化,且光束中心奇异点消失,实现了横向偏振的亮场分布。该研究在高密度的磁光存储、超分辨的光学成像、纳米光刻与粒子操作等领域具有广泛的应用。     

慧差对矢量偏振贝塞耳-高斯光束聚焦场的影响

利用Richards-Wolf矢量衍射积分公式,获得矢量偏振贝塞耳-高斯光束经具有初级慧差的高数值孔径系统聚焦后的三维光场复振幅函数,模拟了不同慧差系数下聚焦光场的纵向分布,以及焦平面和光轴上的光强。研究表明,初级慧差的存在导致矢量偏振贝塞耳-高斯光束的会聚光场发生偏移和变形,焦平面光强的分布和光轴上的光强峰值都受初级慧差和入射光偏振态的共同影响,偏振态和初级慧差不影响聚焦光场在光轴上的对称分布。     

矢量光束对金纳米颗粒的捕获与力学测量

正近年来,柱对称矢量光束由于其特殊的性质引起了越来越多的关注。柱对称矢量光束是一种特殊的矢量光束,其光场的强度和偏振分布都是关于轴对称的。它们独特的偏振特性在许多领域得到了重要的应用,包括激发表面等离子体,光学捕捉和操纵,高分辨成像等。从理论和实验上研究了柱对称矢量光束对金颗粒的捕获特性。理论上,数值模拟了柱对称矢量光柬的聚焦场分布,发现对于径向矢量光,其聚焦焦点有一个很强的纵向分量,并且焦斑尺寸较小,也就是说聚焦的径向矢量光束能够提供更大的梯度力、切向矢量光的横向场场强分布与径向矢量光的横向场分布相似,但是其纵向场分量却接近为零,所以切向矢量光的聚焦焦斑呈现环形。实验中观察到了90 nm的金颗粒被捕获在切向矢量光聚焦焦斑的环状区域。     

径向偏振相干光束阵列的深聚焦

调整相干光束阵列中单元光束的线偏振方向可以得到近似的径向偏振光,但其特性与理想的径向偏振光存在差异。基于Richards-Wolf矢量衍射积分理论,利用数值方法对径向偏振相干光束阵列的深聚焦场进行了分析。研究了实际应用中较为关注的主要参数,即焦面上轴向偏振场及总场主瓣宽度、轴向偏振场的纯净度及产生效率。结果表明,与理想径向偏振光不同,径向偏振相干光束阵列的深聚焦场在焦面上会出现角向偏振分量。采用单环排布并使光束紧贴透镜瞳面边缘,可以产生质量更好的轴向偏振场。对于单环排布阵列,增多光束数目对轴向偏振场及总场主瓣宽度、轴向偏振场的纯度影响不大,但可以提高轴向偏振场的生成效率。     

轴对称光束高数值孔径聚焦性质及应用

轴对称光束是一种特殊的矢量偏振光束,其振幅和偏振态在光束横截面上的分布呈现轴对称性,是Maxwell方程组在柱坐标下的特征解。高数值孔径聚焦矢量偏振光束具有一些特殊的矢量聚焦性质,例如会在焦点附近产生很强的纵向     

双曲线顶点对轴锥镜聚焦柱矢量光束的影响

基于瑞利-索末菲矢量衍射理论和振幅透过率函数,研究了轴锥镜的柱矢量光束聚焦特性。研究结果表明,径向偏振光的矢量聚焦场由径向分量及轴向分量构成,而角向偏振光的矢量聚焦场仅由角向分量构成,同时聚焦场焦深随束腰半径的增大而增加。相较理想情况,锥顶为双曲线时,焦深几乎不变,但光强因干涉效应发生振荡,其依赖于入射光的束腰半径,当径向偏振光束腰半径达到4 mm,角向偏振光束腰半径达到3.5 mm时,振荡现象消失。研究结果为轴锥镜的实际应用,以及进一步完善柱矢量光束聚焦场理论提供了参考。     

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。     

可变光阑对焦深影响的探究

传统的标量光场其偏振态空间均匀分布,而矢量光场相较于标量光场其偏振态是空间变化的。这个空域变化的偏振特性使得矢量光场具有更大的调控自由度,在焦场设计、光学微操纵、微加工、以及量子信息领域有着潜在的应用。本文基于Richards-Wolf矢量衍射理论,研究了可变光阑以及透镜数值孔径对双环角向偏振光束聚焦特性的影响。结果表明,通过改变光阑大小以及透镜数值孔径,不仅可以改变焦斑光强、焦斑大小,也可以显著改变焦场暗通道的长度,从而生成较长的暗通道。生成的可变焦场暗通道未来可用于光学微操纵以及微加工的应用中。     

基于S波片和双延迟器的矢量光场偏振调控方法

基于S波片和双延迟器的偏振特性,提出了一种矢量光场的生成及偏振调控方法,该方法能够将标量高斯光束转换为偏振态分布可调谐的矢量光束。结合Stokes-Mueller矩阵算法,建立了矢量光场偏振调控的数学模型,并仿真计算出标量高斯光束经过S波片和双延迟器（包括双1/4波片和双1/2波片两种情况）后的偏振态空间分布。讨论了双延迟器相对旋转时光场偏振分布的演化规律及机理,实验结果与数值仿真结果相互吻合,表明该方法可以实现对标量相干光场的复杂偏振调控,验证了理论分析的正确性和该方法的可行性。     

微流控光脉冲调制器

为了解决常见光调制器偏振依赖或结构复杂的问题,本文基于微流控光学提出一种可控光脉冲调制器。利用基于T形结产生的离散液滴和全反射原理的微流控光开关,将连续光变换成数字脉冲信号,并通过调节液滴的长度和生成速率调制光脉冲的宽度和频率。所提微流控光脉冲调制器具有结构简单、插入损耗低、消光比高、易集成的优点。微流控光脉冲调制器的流场与光场特性被分析,结构被优化。研究结果显示：该光脉冲调制器的消光比为17.74 dB,插入损耗为0.49 dB。     

测量大数值孔径光学系统小光斑的方法

介绍了一种小孔扫描测量大数值孔径光学系统小光斑的方法。利用近场光学显微镜的光纤探针采样技术和压电陶瓷扫描技术 ,可对光学系统小光斑的光强分布进行高空间分辨的测量。由于光纤探针采样点的大小为几十纳米或更小 ,压电陶瓷扫描间距为几纳米或更小 ,因此该方法特别适合大数值孔径光学系统小光斑的测量。实验证明 ,采用该方法 ,测量的空间分辨率可达 5 0～ 10 0nm左右。     

幂函数分布的振幅型光瞳滤波器

为了提高衍射远场显微成像的分辨率,采用一种振幅透过率随半径呈幂函数分布的光瞳滤波器进行了理论分析和数值模拟。通过在光路中加入幂函数分布的振幅型光瞳滤波器,利用标量衍射理论推导出夫琅禾费衍射分布的计算公式;通过MATLAB软件给出衍射图样,对比衍射分布的主瓣宽度。结果表明,当幂次数为3时,模拟仿真的衍射分布斯特雷尔比为0.16,最大旁瓣强度比为0.1,分辨参量为0.76,分辨率提高倍数为1.3;随着振幅透过率幂次数的增加,主瓣宽度依次减小;同时也伴随着主瓣强度降低和旁瓣强度增大的缺点。这一研究对于远场光学显微镜实现超分辨成像是有帮助的。     

部分相干圆偏振反常涡旋光束的紧聚焦及辐射力研究

根据矢量衍射理论和部分相干理论,推导了部分相干圆偏振反常涡旋光束经过高数值孔径聚焦透镜后的光强表达式。详细讨论了入射光束参数以及聚焦透镜的数值孔径大小对光束紧聚焦特性的影响。研究结果表明:自旋方向,拓扑荷数以及数值孔径大小对光强分布有影响,相干长度以及光束阶数仅改变光强值,光束经过紧聚焦后在轴向方向上自旋角动量可以转换为轨道角动量。此外,研究了紧聚焦后光束对金属瑞利粒子的辐射力。研究表明:低阶光学参数的部分相干左旋圆偏振反常涡旋光束形成的实心光强分布可对金属瑞利粒子捕获。研究结果对部分相干涡旋光束在光镊中的应用具有理论价值。     

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。     

复介质光量子阱光传输特性的增益效应

利用传输矩阵法,研究复介质光量子阱光传输特性的增益效应机制,结果表明复介质对光量子阱内部局域电场和分立共振透射峰的透射率均具有增益放大作用:复介质光量子阱与实介质光量子阱一样,内部也存在很强的局域电场以及透射谱中也出现分立的共振透射峰,但复介质光量子阱的内部局域电场和分立共振透射峰会出现增益放大现象。在光量子阱的组成介质A中掺入具有增益效应的激活性杂质时,光量子阱的内部局域电场首先随着激活性杂质含量的增加而放大增强,但增益放大到极大值后又开始衰减下降,而且不同入射光波长,光量子阱内部局域电场增益放大的极大值及其对应的激活杂质含量不同,其中对处于短波方向的光入射时内部局域电场对激活杂质含量的响应最灵敏最高,而且内部局域电场增益放大的极大值最大,对处于长波方向的光入射时内部局域电场对激活杂质含量的响应灵敏度最低,内部局域电场增益放大的极大值最小。复介质光量子阱光传输特性的增益效应机制,对新型光学滤波器、光学放大器和激光器等光学器件的理论研究与实际设计,以及光量子阱光传输特性的内在机制研究等,均具有积极的指导意义。     

半导体光纤环形激光器产生偏振混沌的数值研究

建立了半导体光纤环形激光器的动力学模型, 并进行了数值分析和研究。半导体光放大器采用由张应变引起的自身双折射理论模型, 光纤的双折射效应和偏振控制器对光的偏振调节作用综合用一个线性双折射琼斯矩阵表示。利用Matlab软件对该模型进行仿真, 寻找到特定电流下半导体光纤环形激光器产生偏振混沌时偏振控制器的延迟角与方位角的范围以及半导体光放大器注入电流对环形激光器产生偏振混沌的影响。仿真的环形激光器输出功率与偏振度随半导体光放大器注入电流的变化关系与实验结果相符。结果表明, 半导体光放大器注入电流越大、偏振控制器的延迟角与方位角越接近零, 越容易产生高频偏振混沌。     

基于双环混合偏振矢量光束实现光学囚笼实时操纵的理论研究

理论上提出了一种通过调节双环混合偏振矢量光束的偏振态来实现光学囚笼实时操纵的新方法。双环混合偏振矢量光束是由双环径向光束通过一个波片后形成的,光束偏振将变为包含线偏振、圆偏振和椭圆偏振的混合状态,且偏振态强烈依赖于空间位置和相位延迟角度。利用衍射积分公式数值模拟了双环混合偏振矢量光束经过强聚焦系统后在焦点附近的强度分布。数值结果显示当相位延迟角度为0时能形成光学囚笼,当相位延迟角度不为0时能控制光学囚笼打开的程度。将液晶可调相位延迟器(LCVR)作为可调波片,LCVR可以由外部电压实时控制使其相位延迟角度能在0～π之间连续取值,这样就可以通过调节LCVR的外接电压实现焦平面光学囚笼的实时开和关。