基于几何相位超表面的Ince-Gaussian矢量涡旋光场聚焦

为了实现电介质超表面的聚焦功能和对光场相位的调控,采用几何相位调制原理设计微元结构及空间分布,以SiO₂为基底、亚波长TiO₂椭圆柱的六边形晶胞为基本结构,设计了一种相位突变呈抛物线梯度分布的聚焦超表面,适用于480nm～580nm波段。基于此结构进行了理论分析和实验验证,发现该结构对线偏振光聚焦,其归一化后的半峰全宽约为428nm,而对矢量光聚焦约为258nm,获得了更出色的聚焦效果。研究了3阶和4阶Ince-Gaussian矢量光场通过该超表面后的聚焦特性,得到了聚焦场能保持入射矢量光场的基本空间结构,但中心结构信息会有损失的结果,即Ince-Gaussian矢量涡旋光场由于涡旋相位的存在,聚焦后会呈现破缺的空间结构。结果表明,超表面结构和入射光场矢量结构之间的匹配程度是影响聚焦特性的重要因素。该研究为理解复杂矢量光场的超表面聚焦机理提供了参考。     

涡旋相位编码的径向矢量光束的紧聚焦特性

为了研究涡旋相位编码的径向矢量高斯光束经过高数值孔径物镜之后的聚焦特性,采用RICHARDS和WOLF提出的矢量积分理论和数值模拟方法,对聚焦场的特征进行了理论分析和模拟实验验证,取得聚焦场分布随涡旋相位物理参量之间的数据关系。结果表明,当单个涡旋相位编码于径向矢量高斯光束时,在聚焦场能够获得2维的径向和纵向分量;当双涡旋相位对称地编码于径向高斯矢量光束时,聚焦场会出现两个光学暗点,此光学暗点处的折射率低于周围环境的折射率。这一结果对提高光学微操控的灵活性,以及对双微粒的捕获与操控是有帮助的。     

径向矢量光场在双延迟器作用下的偏振演化

延迟器作为改变光信号偏振态的一种重要光学器件,具有高偏振变换精度、低成本、算法简单等特点,利用一个1/4波片和一个1/2波片组合可实现对径向矢量光场偏振调制的新方法,采用Jones矩阵算法分析了双波片的调制机理,将光场的偏振演化规律在庞加莱球上表示,并通过实验验证理论分析的正确性,研究结果表明:双延迟器结构可实现对径向矢量光场的复杂偏振调控,并获得光强均匀分布、偏振态有规律分布的矢量光束。     

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。     

杂化矢量光场的研究进展（特邀）

偏振是光场的一个重要矢量属性。依据空间偏振分布的不同,可以将光场分为标量光场和矢量光场。其中,非均匀偏振分布的矢量光场在光场传播、聚焦、非线性效应等方面表现出一系列有趣的行为,对其进行深入研究具有重要的科学意义和应用价值。一种在同一波阵面上包含不同偏振态的杂化矢量光场,因其比普通矢量光场具有更丰富的偏振特性,自2010年被发现以来,在光通信、光学操控、量子通信等领域中展现诸多诱人的前景,目前已成为光学领域的一个研究热点。综述着重介绍了杂化矢量光的制备以及其在聚焦、传播和非线性光学等方面中的特性和应用。     

基于矢量光场的VCSEL数值模型

提出了一种基于矢量光场的氧化层限制型VCSEL的数值模型,在综合考虑激光器中电场方程、热场方程、载流子方程的前提下,采用矢量方程对器件中的光场分布进行描述,计算表明所得结果能够更合理地反映器件实际的工作状态.文中还进一步将上述矢量场方程与传输矩阵法和时域有限差分法相结合,通过计算获得器件中光场的详细信息.     

基于矢量光场的VCSEL数值模型

提出了一种基于矢量光场的氧化层限制型VCSEL 的数值模型,在综合考虑激光器中电场方程、热场方程、载流子方程的前提下,采用矢量方程对器件中的光场分布进行描述,计算表明所得结果能够更合理地反映器件实际的工作状态.文中还进一步将上述矢量场方程与传输矩阵法和时域有限差分法相结合,通过计算获得器件中光场的详细信息.     

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。     

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。     

矢量偏振光束的产生及其高数值孔径聚焦性质

利用石英晶体的旋光效应产生矢量偏振光束,石英晶体被分成圆心角相同的12个扇区,每个扇区设计有特定的厚度,依据晶体的旋光性质可知,在平面线偏振光入射的条件下,不同扇区产生了不同的偏振旋转,形成了空间上偏振方向不同的矢量偏振光束.进一步利用二维辛普森数值积分(ZDSC)方法计算了这种光束的高数值孔径聚焦场分布,发现此光束的聚焦性质与轴对称偏振光的极其相似,说明提出的方法可作为产生偏转角可调的轴对称偏振光的一种简单方法,而满足实际的应用需要.     

Generation of longitudinally polarized multi-segment optical needles by tightly focusing RPBG beam

In this paper, an effective method to garner sub-wavelength longitudinally polarized multi-segment optical needle sequence by using a specially designed hybrid filter (HF) in a high numerical aperture (NA) objective focusing system is proposed. The HF is coupled by a binary phase transmission function and a multi-segment modulation function, and the binary phase filter is designed by the particle swarm optimization (PSO) algorithm and acts on the radially polarized Bessel Gaussian (RPBG) beam to obtain a longitudinally polarized optical needle with long depth of focus (DOF, 6λ) and a sub-wavelength transverse spot size (0.430λ). The optical needle is with high uniformity of 98% and high beam quality of 96%, and the negligible sidelobe is 15%. On this basis, the multi-segment optical needle sequence with tunable spacing or number can be realized by the multi-segment modulation function. It is found that the HF makes the generation of multi-segment optical needle sequence more flexible and reliable. This research has broad application prospects in material processing, particle acceleration, particle capture and other fields.     

Pearcey光束的形成及其聚焦特性

设计一种简单的光学元件抛物缝孔径获得Pearcey光束,基于空间域中的广义惠更斯-菲涅耳衍射积分,导出该系统的Pearcey光束表达式。数值模拟和实验验证了Pearcey光束的产生。同时研究了Pearcey光束的自聚焦特性,讨论了抛物缝孔径焦准距对聚焦光斑的影响。实验所得自聚焦光斑大小与数值模拟相符,研究结果对Pearcey光束用于光学囚禁提供理论和实验依据。     

自陡效应对飞秒脉冲光束自聚焦特性的影响

为了研究在非线性正常色散介质中,自陡效应对高强度飞秒脉冲光束自聚焦特性的影响,同时考虑色散、时空聚焦和克尔效应。基于(3+1)维的修正非线性薛定谔方程,采用对称分步傅里叶数值计算方法,分不考虑自陡效应即只有色散、时空聚焦及克尔效应和考虑自陡效应两种情况,对90fs超短脉冲光束的自聚焦特性进行了数值仿真。结果表明,色散、时空聚焦和克尔效应的共同作用会使脉冲分裂成丝,能量减少,脉冲展宽,时空聚焦和色散的相关性使脉冲产生了另一延迟,延迟和传输距离及色散成正比;而自陡效应则可以明显降低脉冲峰值强度,减弱非线性的影响,抑制脉冲自聚焦,使时间波形分裂更小,对脉冲延迟量影响较小。     

Kerr效应对超高斯光束聚焦特性的影响

利用菲涅耳-基尔霍夫衍射积分公式,对一维超高斯光束通过克尔介质的聚焦特性进行了研究.在相位延迟为-2 rad~2 rad的范围内进行了计算.模拟结果表明,正Kerr效应将提高聚焦强度、增大相对焦移量和降低几何焦平面的峰值光强;而负Kerr效应,则会降低聚焦强度、增大相对焦移量和降低几何焦平面的峰值光强.可以将这两种的情况联合起来进行讨论,并可以通过增大光束的菲涅耳数来降低Kerr效应对其聚焦特性的影响.     

强流相对论电子束在PPM系统中的传输特性研究

首先对强流相对论电子束在聚焦系统中的传输特性进行了理论分析,给出了束流参数与周期引导磁场峰值大小的关系,然后通过粒子仿真验证了理论分析的正确性,并得到了在一定的电压和通道半径条件下,周期永磁聚焦(PPM)系统能传输的电子束的最大电流。文章为强流相对论电子束周期永磁聚焦系统的设计提供了一定的参考。     

一维阵列电子注平面聚焦系统磁场分布特性

针对平面集成行波管对一维阵列电子注聚焦的应用需求,设计了4通道电子注平面磁聚焦系统。将各通道磁场轴向和横向分量沿轴分布特征计算结果与测试结果进行对比,确认了Opera软件计算磁场分布特征的准确性。为与轴对称周期永磁(PPM)聚焦系统电子注通道内磁场分布特性进行对比,建立了轴对称PPM聚焦系统模型,测试结果与计算结果一致性较好。通过平面聚焦系统与轴对称PPM聚焦系统电子注通道内的磁场纵向和横向分布特性对比表明,两种聚焦系统电子注通道内纵向和横向磁场具有相同的分布特征,在离轴相同位置的圆周上横向磁场分量与轴向分量的比值均为B_x/B_z≈0.11,该平面聚焦系统可实现一维阵列圆形电子注的良好聚焦。     

基于超表面的宽波带光束聚焦研究

超颖表面是一种基于亚波长结构的光学平板膜层,可在亚波长传输范围内调控入射光束的相位、振幅和偏振。为了代替传统的曲面光学元件,采用传输相位调控理论和广义折反射定律,设计了一种新型的超颖表面,并进行了程序模拟,取得了此亚波长结构对光束聚焦调控的数据。结果表明,当增加超颖表面的椭圆基元的长短轴长度时,材料的等效折射率增加,并且适用的波长范围增加到0.7μm~1.2μm;通过优化超表面结构参量,可实现在宽波带范围内的相位调控,进而获得聚焦光场的优化,在一定程度上可以代替传统光学元件实现光学聚焦。该研究结果在超分辨率成像及光刻等方面有一定参考价值,在一些特殊的需要亚波长结构调控光束的情况下可以使光路简单化,并且比传统的光学元件有着厚度方面的优势。     

湍流大气对高斯光束聚焦特性的影响

基于广义惠更斯-菲涅尔原理,推导出高斯光束在湍流大气中经薄透镜聚焦后的光强解析表达式,进而得到轴上点最大光强和相对焦移的公式。对表达式进行的数值仿真结果表明,湍流大气中高斯光束的聚焦规律与自由空间中高斯光束的聚焦规律相同,湍流大气对高斯光束聚焦特性的影响表现为,使得轴上点最大光强减小、相对焦移增大。因此,为在探测器上获得最大光强和较小的相对焦移,应采用大束腰高斯光束通过短焦距透镜进行聚焦。     

像散对聚焦正弦-高斯光束参数的影响

应用二阶矩法推导出了正弦-高斯光束通过像散透镜后束宽的解析表达式.通过数值计算对正弦-高斯光束通过像散透镜后的光束参数,例如束宽和远场发散角的相对误差进行了研究.结果表明:像散使x方向与y方向的束宽一般不相等,束宽的相对误差在传输距离z上存在零点,但x方向与y方向零点的位值不相同;几何焦面上x方向与y方向束宽的相对误差...