连续相位滤波器缩小径向偏振光束焦斑

基于矢量衍射理论,计算了径向偏振光束在焦点处光强分布。在径向偏振光束的聚焦过程中,焦斑大小主要取决于视场边缘的光线。根据这一特点,设计了以视场角正切值为自变量的连续型相位滤波函数。利用非线性规化算法,以缩小焦平面上横向宽度为目标,在不同的斯特尔比的约束条件下,优化得到一组相位滤波参数。计算结果表明,径向偏振光束通过此种相位滤波器再聚焦后,在保持相同斯特尔比的条件下,可获得更小的聚焦光斑。     

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。     

用于光束整形的环带相位型光瞳滤波器

高数值孔径物镜下,必须采用矢量衍射方法研究焦点区域的光强分布.根据矢量衍射理论,研究了利用三环相位光瞳滤波器实现光束整形的技术.通过对数值孔径为0.85的物镜焦点区域光强分布的数值模拟,利用优化搜索算法得到了可以实现光束整形的三环相位结构.模拟结果表明,利用三环相位光瞳滤波器,不仅可以在焦面上实现光强的平顶分布,而且还...     

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。     

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。     

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     

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。     

偏振态和有效数值孔径对共聚焦全内反射显微术分辨率的影响

为了研究入射光偏振态和入射光瞳有效数值孔径对共聚焦全内反射显微术(CTIRM)的分辨率,即焦点横向半峰全宽和纵向倏逝场透射深度的影响,根据Richard-Wolf矢量衍射理论,计算并讨论了线偏振、圆偏振、径向偏振和切向偏振入射光在界面处的光强分布情况;同时计算了在三种不同的有效数值孔径(1.33~1.45,1~1.45和1~1.12)时,焦点半峰全宽和倏逝场透射深度的数值结果。计算结果表明,当有效数值孔径为1.33~1.45,入射波长为532 nm时,径向偏振光在横向上可达144nm的半峰全宽,优于线偏振的330nm和圆偏振的360nm,超过了衍射极限。薄且大的有效数值孔径能够获得更小的半峰全宽,其上下限的平方差越大,透射深度越小。三种数值孔径中,1~1.45时的透射深度最小,为140nm。相比较其他偏振光,径向偏振光更适合作为共聚焦全内反射显微术的入射激发光,并能够通过优化有效数值孔径,获得样品近表面处的高横向分辨率和低轴向荧光噪声。     

多台阶相幅型菲涅耳波带片的矢量衍射

用矢量Rayleigh-Sommerfeld(VRS)衍射理论分析计算了高数值孔径多台阶相幅型菲涅耳波带片(M-SHFZP)的聚焦场分布。当线性偏振光垂直入射到M-SHFZP,结果显示:1)由于薄膜透射率随着刻蚀台阶深度发生变化,致使实际的M-SHFZP的聚焦强度小于多台阶纯相位型菲涅耳波带片(M-SPFZP)的聚焦强度,但是M-SHFZP的聚焦光斑大小基本上与M-SPFZP的相同;2)聚焦光的强度随着台阶数的增加而增加,但聚焦光斑的大小不随台阶数变化;3)对于低数值孔径的M-SHFZP,光轴上的强度呈现一个多焦点分布,但是对于高数值孔径的M-SHFZP,高级焦点的强度被大大抑制。台阶数愈多,数值孔径愈大,抑制高级次焦点的能力愈强。VRS矢量衍射理论的计算结果与时域有限差分法(FDTD)模拟结果基本一致。     

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。     

偶数束亚波长Dammann光栅结构的矢量衍射优化设计

传统的基于标量衍射理论方法设计的Dammann光栅衍射效率较低。基于严格耦合波理论和遗传算法,介绍了亚波长结构偶数分束数Dammann光栅的设计方法。利用优化程序设计了多个光栅结构并对设计结果进行了分析,讨论了关键参数的选取及设计参数和光波偏振态的变化对分束效率和均匀性的影响。仿真结果表明所设计的偶数束Dammann光栅分束均匀性很好并且分束总效率均达到93%以上,而零级衍射效率均降到了0.64%以下,达到了较好的去零级衍射的效果。     

矢量偏振光束产生新方法

为了解决现有矢量偏振光束(VPB)产生装置结构复杂、成本高等问题,提出了利用一种由多个线型偏振器件构成的同心圆环装置即显偏器(PAF)产生矢量偏振光束的新方法。基于显偏器的特殊结构特点,由LED光源输出的自然光束经显偏器,可产生角向偏振光束(APB),再经两个快轴成45°角的半波片可将角向偏振光束转换成径向偏振光束(RPB)。采用此方法获得的矢量偏振光束经线偏振片验证其光强分布情况,研究发现所得结果与已发表的实验结果相符,验证了该方法的有效性和实用性。     

Hermite-Cosh-Gaussian光束在单轴晶体中的传输

基于光束在各向异性介质中传输的傍轴矢量理论,对沿x方向偏振的Hermite—Cosh—Gaussian（HChG）光束在单轴各向异性介质中的传输作了研究,得到了解析的传输公式,并借助于数值方法讨论了各向异性介质对x方向偏振的HChG光束偏振特性的影响。结果表明,对于初始沿x方向偏振的入射光束,在晶体中其场强因参量取不同值而有不同分布。     

轴对称光束的Gouy相位

研究了高数值孔径聚焦轴对称偏振光束产生的Gouy相位在理论和应用中的重大意义。用倾斜波近似方法可以得到Gouy相位的解析表达式,但计算较繁琐不易应用。等效焦区长度和等效波长两个概念的引入使Gouy相位的计算变得非常方便,可以近似将Gouy相位看作数值孔径NA的多项式拟合函数。利用该表达式推得的焦点附近不规则的相位分布和用数值计算方法得到的结果非常相近,也验证了倾斜波近似理论的正确性。     

基于反射会聚的亚波长光栅多路功分器

针对目前可实现多路分光的亚波长光栅功分器层 数多不容易制备、无法平均分束的 问题,本文设计了一种基于光束反射会聚的单层亚波长光栅功分器,可实现多束分光且便于 制备。通过严格耦合波理论与波前相位控制理论,设计了四个完全相同的可实现光束会聚的 亚波长光栅,接着将四个亚波长光栅依次紧密拼接进而获得了四路功分器。基于有限元软件 COMSOL对设计的器件进行仿真分析,结果表明该器件可以将一束波长为1550 nm的TM入射光分 成四束,每束光的功率都相等,且都能实现反射会聚。因此基于波前相位控制原理设计的功 分器不仅能实现多束平均分光,还能使每束光都实现了会聚,从而有效提高了光探测器阵列 的工作效率,有希望被广泛应用于光通信集成系统与空间光耦合等领域。     

一种任意图形编码的（0，π）型二维位相光栅的设计

基于分析和比较各种编码图形的二维二值位相光栅的优缺点．提出了一种设计任意图形编码的二值位相光栅的方法。该方法主要分为两步．首先以获得最高衍射效率为基准．寻求任意图形编码的二维二值位相光栅的初始结构．然后采用一种迭代算法优化初始结构获得期望的光强分布。设计了７个可等强分束的二维二值位相光栅，其衍射效率均大于８０％，均匀性偏差均小于０．０１％。     

计算全息法产生涡旋光束的实验

基于计算全息法,通过计算和模拟得到了涡旋光束与平面光束干涉所产生的位错条纹,用胶片记录位错条纹并制作成位错光栅,在自行设计搭建的光路中进行实验获得1~4 阶的涡旋光束。实验结果表明,各阶涡旋光束的空心半径随着阶数的增大而逐渐增大,与理论分析相符合;实验进一步观察到各阶光栅的二级甚至三级衍射光束,当入射光束中心与光栅位错中心重合时,能够产生光强分布对称的涡旋光束,当光束中心和光栅中心不重合时,产生的涡旋光束的光强分布不对称。这为后续以涡旋光束为捕获光束的光镊实验的进一步拓展及应用提供了理论和技术支持。     

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。