矢量光场激发三阶非线性光学效应的研究进展（特邀）

具有偏振结构分布的强激光与非线性光学材料相互作用导致了多种新颖的非线性光学效应,反映了材料的非线性光学特性,调制了光场的传播行为。笔者概述了矢量光场激发三阶非线性光学效应的研究进展。首先简要介绍了任意偏振光激发三阶非线性光学效应的理论,如非线性薛定谔方程、光束传播方程、各向同性和各向异性三阶非线性光学系数。也简要介绍了表征三阶非线性光学系数的 Z-扫描技术。在弱聚焦条件下,给出了诸如径向偏振光、杂化偏振光和柠檬型庞加莱光束这三种类型矢量光场的焦场表达式。其次,重点回顾了多种矢量光场激发的各向同性/各向异性三阶非线性光学效应,包括径向偏振光激发的各向异性非线性光学效应、杂化偏振光激发的各向同性和各向异性非线性光学效应、柠檬型庞加莱光束激发的各向同性/各向异性非线性光学效应。最后,简要讨论了矢量光场在非线性偏振旋转、光束整形、可控光场塌缩与成丝和光限幅方面的应用。     

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。     

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。     

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。     

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。     

偏振态纵向变化矢量光束研究进展(特邀)

立足于偏振态空域调控技术，矢量光束所特有的偏振态空间结构属性，使其在光学及其交叉学科领域表现出巨大的研究价值和应用潜力。以往的研究主要关注偏振态的横向空域调控，而纵向(传播)方向同样是重要的光场调控维度，偏振态纵向变化矢量光束的出现，拓展了矢量光束的调控维度，为光与物质的相互作用带来更多可能，引起了广泛关注。文中围绕着偏振态纵向空域调控技术的发展，介绍了基于纵向变化位相差和振幅差的偏振态纵向变化矢量光束生成理论，并总结归纳了利用相位调制和空间频谱滤波的两类实验生成方法。此外，文中还对偏振态纵向变化矢量光束目前存在的问题进行了讨论，并对其发展前景进行了展望。     

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。     

高级次轴对称偏振光束的聚焦特性及应用综述

高级次轴对称偏振光束具有更为复杂的偏振分布,在高数值孔径聚焦情况下可获得多个超小聚焦光斑,这样的聚焦特性使其在显微成像、材料加工、粒子捕获等领域体现出一定的应用价值,引起了广泛关注。综述了近年来关于高级次轴对称偏振光束的聚焦特性及主要应用的研究成果。介绍了高级次轴对称偏振光束的基本概念,并基于矢量衍射理论给出了聚焦场的数学表达式,最后介绍了该类型光束在粒子捕获与操控、并行光学显微成像方面的典型应用。     

基于衍射受限矢量光管场的离散式复振幅滤波器的设计

提出一种离散式的复振幅光瞳滤波器,用于构建大数值孔径系统下柱对称偏振矢量光束的特殊聚焦光场。输入角向偏振矢量光束,经圆对称的6个离散环带复振幅滤波器滤波后聚焦。该滤波器半径已归一化,各环带具有不同透射振幅,外围两环带有相同的相位延迟,其余相邻透射环带间π反相。在聚焦区可获得超长(大于8λ)的衍射受限"光管"场。该"光管"场为中空的纯角向偏振矢量光场,管中心沿轴向无光场分布,光管横向直径(约0.31λ)在亚波长量级,"光管"管壁为沿轴向平坦分布的角向偏振矢量场,无轴向旁瓣。该复振幅滤波器可用于构建特殊三维矢量光场以及利用该光场进行粒子捕获和操控。     

矢量涡旋光束的表征及腔内生成技术北大核心CSCD

矢量涡旋光束是一种新型的结构光场,具有螺旋相位和横截面各向异性偏振分布,在光镊、旋转体探测、光通信、高分辨率成像、量子信息等领域展现出广泛的应用前景。随着研究的不断深入,对矢量涡旋光束的复杂光场模式分布要求越来越高,给矢量涡旋光束的生成技术带来了巨大的挑战。此外,如何更加实用且有效地完备表征矢量涡旋光束的模场分布、模式特性亦是其应用的重要基础。本研究团队长期从事包括矢量涡旋光束在内的结构光场调控及应用技术研究,提出了多种输出模式连续可调的矢量涡旋光束腔外、腔内生成技术。介绍了近年来本课题组在矢量涡旋光束的表征和腔内生成方面的主要工作,包括矢量涡旋光束总角动量态的四参量表征法、激光谐振腔内横纵模调控技术等,并在此基础上报道了人眼安全波段全固态矢量涡旋光束激光器。     

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。     

基于亚波长偏振光栅的空间光桥接器设计

为了研究自由空间的相干光探测,基于亚波长偏振光栅的衍射和偏振特性,提出了一种新的24的90空间光桥接器。该桥接器主要由一个亚波长偏振光栅、两个/2波片和两个偏振分束器构成。结果表明,通过亚波长偏振光栅将信号光束和本振光束进行空间光桥接,通过左旋和右旋圆偏振光在偏光分离时的相位性质实现所需的相位关系,避免了传统空间光桥接器中对分光元件的相位要求,易于实现稳定的相位输出,在空间激光相干探测系统中有潜在应用。     

深紫外光刻投影物镜的三维偏振像差

深紫外光刻投影物镜是光刻机的核心部件,然而无论是照明光场偏振态的空间分布,还是光刻投影物镜自身的偏振像差都将改变光束的紧聚焦特性,对成像质量造成不可忽略的影响。基于三维琼斯矩阵,把偏振像差函数推广到三维空间,建立了三维相干光场中偏振像差的评价方法,并分析了典型的偏振敏感光学系统深紫外光刻投影物镜的三维偏振像差,详细阐述了其物理意义。研究发现:三维偏振像差函数的光瞳分布与视场、光学薄膜以及光学系统的自身结构密切相关。深入讨论了光学薄膜及偏振效应对光刻投影物镜成像质量的影响,进一步研究了照明光场的偏振态分布与光学系统波像差的关系,研究表明:光学薄膜引入的附加位相将导致光刻投影物镜的像质明显下降,而采用径向矢量光场照明可以改善成像质量。     

抛物线坐标系非傍轴矢量光束的解及聚焦特性

为了求解柱坐标系下非傍轴矢量波动方程,得到光束的电场解析表达式,基于轴对称情况下沿角向偏振的电场,将非傍轴近似情况下的矢量波动方程进行了抛物线坐标的转化,利用分离变量法进行了相应求解,并给出了相应的数值计算。结果表明,非傍轴近似情况下,矢量波动方程的解能描述一种光束的电场,该场的解析表达式与合流超几何函数以及梅杰函数的解有关;光束的光强分布与第1类零阶贝塞尔模式光束类似;光束在近光轴处的光强表现为无限大并且沿边缘方向急剧衰减;在焦平面上沿着径向方向光强急剧减小。所得结果对于探究非傍轴近似情况下矢量光束的传输特性有一定的意义。     

Means and verification of broadcast technology applied to laser transmission on horizontal link

At present, there has been great progress in the field of the point-to-point laser communication technology, in other words, the traditional laser communication technology has been advanced day by day. Furthermore, in order to search for an effective means of achieving localized laser broadcasting communication within a limited range, an effective method of horizontal link laser broadcasting communication is presented, and the corresponding verifiable broadcast communication system is designed. In addition, the laser broadcasting is systematically studied by one physical model built at the optimal distribution of optical power. First of all, the theoretical model of laser beam expansion and the theoretical model of parallel light curtain are made comparisons and analyzed from the angle of attenuation of optical power, and the optical power loss model of the parallel light curtain is established as a result. Secondly, combined with the theory of optical imaging transformation based on Gaussian beam, the field distribution of far field of parallel light curtain is simulated by one leading optical and illumination design software and the relation between the filed distribution of far field of light curtain and the distance of transmission is revealed. Finally, the superiority and feasibility of the parallel light curtain theory model are verified by field communication experiments in different information channels.     

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。