双环径向偏振涡旋光束的粒子捕获（英文）

本文研究了紧聚焦的双环径向偏振(R-TEM*11)涡旋光束对瑞利粒子的捕获特性。通过调节R-TEM*11涡旋光束的截断参数β,可以在焦点附近得到中心强度较大的三维亮斑和面积较小而且被亮场包围的三维暗斑。基于瑞利散射理论,研究了该光束作用在金属微粒和空气泡粒子上的梯度力、吸收力和散射力的分布特点,讨论了粒子捕获的稳定性。结果表明:调节R-TEM*11涡旋光束的截断参数β,当β=1.1时,产生的亮焦斑可以稳定地捕获折射率较大的金属粒子;当β=1.6时,产生的暗焦斑可以稳定地捕获折射率较小的空气泡粒子。

双环径向偏振涡旋光束经介质界面的深聚焦

基于矢量德拜理论,研究了双环径向偏振涡旋光束经介质分界面的深聚焦特性。当选取适当的入射光束拦截比时(即透镜孔径半径与入射光束的束腰半径的比),在聚焦场中可以得到一个极小的局域空心光束。局域空心光束的大小不仅与透镜的数值孔径有关,还与聚焦场介质的折射率有关。另外,还研究了透镜的数值孔径、入射光束的拦截比以及探测深度对聚焦光束实际焦点位置的影响。通过对聚焦光束的实际焦点位置的计算发现:当选取一定的光束拦截比时,聚焦光束存在一个焦点开关。

径向偏振涡旋光束经轴棱锥后的传输特性

通过实验和理论研究了径向偏振涡旋光束经过轴棱锥后的聚焦特性,并根据Collins公式推导了径向偏振涡旋光束经过轴棱锥聚焦后的光强分布,以及相关参数对径向偏振涡旋光束经过轴棱锥聚焦的影响加以实验验证。研究发现,径向偏振涡旋光束经过轴棱锥聚焦后产生无衍射光束,并且当拓扑荷数m=1时,轴向光强不为零。聚焦区域的光强分布随着传输距离z和拓扑荷数改变而改变。可以通过改变拓扑荷数改变捕获粒子的类型。并且研究了m=0与m=1,z=1000mm时的偏振分布,发现拓扑荷数m=1时所得到的无衍射光不再是径向分布,并且相位奇点消失。理论仿真和实验结果一致。这些研究成果对于径向偏振涡旋光束的应用有着重要的意义。

双环角向偏振涡旋光束的大数值孔径透镜聚焦

基于矢量德拜理论,研究了双环角向偏振涡旋光束经大数值孔径透镜的聚焦,且在聚焦场中考虑存在两种不同介质。研究表明当涡旋光束的拓扑电荷数为1,且当透镜孔径半径与入射双环角向偏振涡旋光束的束腰半径之比为1.5时,聚焦光束可得到一个尺寸只有零点几个波长的局域空心光束。局域空心光斑的横向半径仅为0.38λ,而空心长度为2.37λ。此外还研究了透镜的数值孔径以及光束的入射拦截比对不同介质引起聚焦光束焦移的影响。

J_(0)相关径向偏振涡旋光束紧聚焦的空间相干特性

为了研究J_(0)相关径向偏振涡旋光束深聚焦的相干特性,采用矢量德拜理论和相干理论,对聚焦场在光轴和焦平面上的相干特性进行了理论分析和数值仿真,取得相干度表达式和模拟数据。结果表明,在焦点区域的纵向相干度不但随着拓扑荷数n的增加而增大,而且还随着相干参量或者数值孔径dNA的增大而减小;在焦平面的横向相干度也随着拓扑荷数或者相干参量或者数值孔径的增大而减小;当n≥5或者dNA≤0.4时,纵向相干度在焦点附近约为1;这种相干度还存在相位异常点。这些研究结果对J_(0)相关矢量涡旋光束在许多领域的应用具有一定意义。

基于传输相位的线性偏振涡旋光束强度调控太赫兹超构表面透镜

为了提高涡旋光束强度分布的横向调控能力,设计了一种基于传输相位全介质结构超构表面功能器件。采用传输相位的波前调控方式,结合时域有限差分方法(FDTD),对设计的超构表面进行了数值仿真。研究结果表明,通过对入射的线性偏振分量分别设计相位分布,得到了两个横向强度分布可由入射偏振态自由调控的涡旋光束,同时使得横向复用的两个涡旋光束具有相互正交的偏振态。相关研究有望应用于光通讯、微粒操控和信息加密等领域。

径向偏振高阶贝塞尔-高斯涡旋光束的传输及其偏振特性

理论和实验研究了径向偏振高阶贝塞尔-高斯涡旋光束在自由空间传输的光强分布和偏振特性.数值计算表明,在无衍射区域,随着传输距离的增加,光强分布基本保持不变;对于零阶光束,其偏振态一直保持径向偏振不变;对于高阶光束,其偏振态发生变化,由初始的径向偏振逐渐变为椭圆偏振和线偏振的杂化状态.实验上,利用径向偏振转换器、螺旋相位板和轴棱锥元件产生了径向偏振高阶贝塞尔-高斯涡旋光束,探测了其通过不同偏振片后的光强分布.实验结果与理论结果基本相符合.该研究也提供了一种产生杂化偏振矢量光束的方法.

J_0相干角向偏振涡旋光束的深聚焦(英文)

通过矢量德拜理论,研究了J0相干角向偏振涡旋光束深聚焦的性质。推导了在焦点区域的光强分布、光谱相干度和偏振度的表达式。数值模拟结果表明,光强分布、相干度和偏振度不仅依赖于相干长度和数值孔径最大角,而且依赖于拓扑电荷数。这种光束在焦平面还可获得非常小的焦点和焦洞。

圆偏振涡旋激光脉冲驱动等离子体产生飞秒磁脉冲的研究

飞秒磁场脉冲对研究超快磁化、超快退磁、超快磁存储和自旋超快动力学等过程具有重要意义。传统的脉冲磁场受限于脉冲电源性能无法获得毫秒量级以下的超短脉冲磁场,无法研究飞秒尺度的磁动力学过程。利用超短脉冲激光驱动等离子体产生旋转电流是目前产生飞秒磁场脉冲的有效方法。本文利用质点网格法模拟圆偏振拉盖尔高斯光束驱动等离子体中的电子运动从而产生光电流以及飞秒磁脉冲的过程,模拟产生了特斯拉量级的飞秒超短磁脉冲,并系统讨论了驱动激光强度与等离子体密度对磁脉冲的影响。结果表明,脉冲磁场的脉宽与驱动光一致,其强度随着激光场强度、等离子体密度增加而增加。通过本文研究寻找产生飞秒磁脉冲的优化实验参数,有望将超快磁动力学研究推进到飞秒时间尺度。

偏振方向对涡旋光束产生的影响

在利用液晶空间光调制器(LCSLM)产生涡旋光束时,入射光的偏振方向对涡旋的产生有着明显的影响。从液晶空间光调制器的工作原理出发,研究了不同偏振方向的线偏振光在通过LCSLM的相位调制后,涡旋光束产生的变化。通过模拟仿真与实验结果的比较,发现随着线偏振光的偏振方向与液晶分子光轴夹角的增大,液晶空间光调制器的调制误差变大,所产生的涡旋光束的质量变差。当夹角大于4.725°时,涡旋光束的质量明显变差。而随着夹角继续增大,LCSLM对入射光的调制作用减弱,无法产生涡旋光束。

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。

部分相干径向偏振扭曲光束在非均匀大气湍流中的传输特性

利用扩展的Huygens-Fresnel原理以及维格纳分布函数(Wigner distribution function,WDF)的二阶矩理论,推导出部分相干径向偏振扭曲光束(partially coherent radially polarized twisted beam,PCRPTB)在非均匀大气湍流中的M^(2)因子、空间扩展和角扩展的解析式。通过相应的数值模拟计算分析了初始相干长度、束腰宽度、波长、天顶角、扭曲因子、湍流内尺度等对光束传输质量的影响。研究表明具有扭曲相位的PCRPTB展现出更强的抗大气湍流的能力,且扭曲因子越大,光束抗大气湍流的能力越强。而且减小初始相干长度,增大束腰宽度,波长也可以有效降低PCRPTB在大气湍流中的相对M^(2)因子,使光束具有更强的抗大气湍流的能力。研究还可以发现,PCRPTB在湍流内尺度与广义指数参数较大的大气湍流中以一个更小的天顶角传输,其相对M^(2)因子更小,表明大气湍流对PCRPTB的影响更小。

基于微环谐振腔的圆偏振涡旋光束发射器

涡旋光束是一种具有横向空间分布的光束,其在光纤通信系统中的应用引起了国内外的广泛关注。在涡旋光束复用通信系统中,光束发射器与光纤耦合时存在光斑失配、偏振失配、相位失配等模场失配问题。针对偏振失配问题,文章设计了一种圆偏振涡旋光束发射器。实验结果表明,该发射器可以产生纯度高、能量集中的圆偏振涡旋光束。

上海光机所的微片激光器输出径向偏振脉冲光束

径向偏振光束在电子加速、离子捕获、生物光镊、高分辨率显微镜技术以及高效率金属切割等领域有着非常重要的应用，因此通过激光器的输出来直接产生该种光束已经成为国际研究热点。但在以前的研究结果中，存在激光效率低、径向偏振纯度低以及光束轴对称性差等缺陷。上海光机所李建郎博士最近首次提出利用端面泵浦的微片激光器并附加以具有高偏振性的光子晶体光栅镜来解决这些问题，

球差对圆偏涡旋贝塞耳-高斯光束聚焦场的影响

利用理查德-沃耳夫矢量衍射积分,分析了初级球差对圆偏振涡旋贝塞耳-高斯光束聚焦光场的影响,获得不同球差系数下的光强分布.结果表明,当初级球差系数增加,会聚光点偏离系统焦平面,纵向光场发生改变;焦点光强逐渐减小,焦平面光场发生变化;光轴上光强峰值逐渐减小,峰值两侧的旁瓣变化趋势相反,光强由对称分布变成非对称分布;初级球差对贝塞耳-高斯光束聚焦光场的影响不依赖其偏振态;离焦无法完全补偿初级球差对聚焦光场的影响.

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一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。

径向偏振调制对聚焦光斑匀滑及偏振特性的影响

基于标量衍射理论建立了光谱色散平滑(SSD)、随机相位板(RPP)和偏振匀滑(PS)联用的光束匀滑方案数值仿真模型。以斑纹对比度和偏振度为主要评价参量,利用该模型研究了径向偏振调制的匀滑及消偏振特性。研究表明,径向偏振调制可以有效降低聚焦光斑斑纹对比度和偏振度。使用半波片拼接方式产生近似径向偏振光时,拼接单元数对匀滑及偏振特性影响较小,8片拼接的匀滑效果已与理想径向偏振光几乎一致。对比分析了径向偏振调制、正交偏振调制和双折射楔三种PS方式,结果表明,由于三种PS方式本质上的一致性,光束的匀滑及偏振特性差别较小。

基于双开缝环结构的半反射和半透射超宽带超薄双偏振太赫兹超表面

提出了一种基于双开缝环结构的半反射和半透射双偏振超宽带太赫兹超表面,能实现光束偏折和生成涡旋光束.该超表面单元结构仅由附着在超薄介质层上的金属双开缝环构成,在超宽频带范围内同时调控反射和透射太赫兹圆偏振(circular polarization,CP)波和线偏振(linear polarization,LP)波.基于传输相位和几何相位理论,改变开缝环的大小和旋转方向,在0.3—1.2 THz范围内可以实现透射和反射的正交LP波和CP波在0—2π相移全覆盖,对应的正交LP波和CP波平均幅值为0.45的相对带宽分别达到86%和120%.本文特别设计了全空间超表面模型,实现了LP波和CP波光束偏折与生成涡旋光束.这些研究有助于全空间多功能太赫兹超表面器件的实现和实际应用.

柱矢量涡旋光束强聚焦特性的修正研究

对现有柱矢量涡旋光束强聚焦公式的不足进行修正,数值模拟了不同拓扑核柱矢量涡旋光束的强聚焦场分布.结果表明:调节偏振旋转角、数值孔径以及遮挡通光孔径可以有效地构造平顶光束与暗通道.调节偏振旋转角能改变涡旋光束径向部分与角向部分的相对强度,实现平顶聚焦;增加孔径遮挡值可以在相对较小的数值孔径下形成平顶光束.当孔径遮挡较大时可以在高数值孔径下实现更窄的暗通道.

径向偏振光的产生方法研究进展

径向偏振光的横模表现为中空的环形分布,具有偏振方向始终沿着径向并与光轴成轴对称的特殊偏振形式。与空间均匀偏振光相比,径向偏振光在聚焦、粒子操控等方面更具优势,在工业加工、空间通信、显微技术等领域展现出巨大的应用价值。本文简要介绍了径向偏振光的电场特性,归纳总结了近十年径向偏振光产生方法的研究进展,简要阐述了这些产生方法所依据的原理,探讨了径向偏振光发展亟须解决的问题、可能的解决途径,并展望了径向偏振光相关研究的发展趋势。