4pi聚焦系统中振幅和相位调制的径向偏振涡旋光束聚焦特性的研究

基于Richards-Wolf矢量衍射积分公式,研究了径向偏振涡旋光束在振幅和相位调制下的4pi聚焦特性.振幅调制是通过振幅滤波实现,即改变入射光束起始积分值达到调节,相位调制是通过添加相位延迟角δ的液晶相位延迟器来改变入射光束的偏振态.模拟结果显示,随着振幅的减小,4pi聚焦系统焦点附近的光轴上呈现出多光球结构;而相位调制对焦点附近的光强分布产生拉伸作用,即调节入射光束的拓扑核m和相位延迟器的延迟角δ,可以得到特殊的光强分布.随着相位δ增大,m=0产生的多光球结构慢慢向光链结构转变,最终变成暗通道;而m=1产生的光链结构慢慢变成光球结构;m=2产生的暗通道变成光球和光链叠加的结构,这种特殊聚焦光束在光学微操纵领域具有潜在的应用价值.

基于4Pi聚焦系统的圆柱矢量涡旋光束的焦场调控

基于Richards-Wolf矢量衍射积分理论,研究了拉盖尔-高斯分布圆柱矢量(CV)涡旋光束同轴相向入射到插入了衍射光学元件(DOE)的由两个相同高数值孔径透镜构成的4Pi聚焦系统的聚焦特性。数值模拟结果表明,DOE的相位调制使焦场呈现球形结构,增加DOE的环数可以得到更多的光球。采用六环DOE且两侧入射光束同相时,当拓扑电荷m=0,径向偏振光束聚焦得到6个半峰全宽均为0.42λ(λ为波长)并以间距0.83λ沿轴向排列的单行多光球结构;角向偏振光束聚焦得到每行各5个光球且行间距为0.75λ的双行多光球结构,其大小和纵向间距与径向聚焦结果一致;偏振角为52°的CV光束聚焦可以形成光链结构。m=±1时CV涡旋光束的聚焦也能得到光链结构;m=2时其焦场强度分布会转化为暗通道结构。此外,通过调节4Pi聚焦系统两侧入射光束的相位差还可以控制生成的焦场沿着纵向方向移动,移动距离与相位差为线性关系,且移动速度与相位差的变化速率线性相关。这些结果对于微观粒子的捕获和操控具有潜在的应用价值。

一种多边形相位波带片的矢量聚焦特性研究

本文基于矢量瑞利-索末菲衍射理论,对一种多边形相位波带片的聚焦特性进行了研究。提出了一种在4Pi聚焦系统中使用不同的多边形相位波带片和不同的偏振光产生特殊聚焦光斑的方法,设计了由不同多边形同心环带组成的相位波带片(圆形、六边形、八边形的相位波带片),对不同偏振的光(线偏振光、径向偏振光、角向偏振光)入射到所设计的不同形状的多边形相位波带片产生的聚焦光斑进行了数值模拟。通过数值模拟发现这种多边形相位波带片可以改变入射光聚焦光斑的形状,并且聚焦光斑的周围还存在多个焦点旁瓣的情况。进一步研究发现,在4Pi聚焦系统中可以产生“甜甜圈”状、六边空心“螺母”状、“葫芦”状等特殊形状的三维聚焦光斑。本研究结果有助于加强对矢量聚焦光斑的理解,在光学微操控、激光加工、超分辨成像、数据的高密度存储等领域具有潜在的应用价值。

基于偶极子天线辐射反向创建空间球形聚焦光斑

与传统的仅能生成光轴方向的球形聚焦光斑不同,本文提出了一种在4Pi聚焦系统中通过反聚焦偶极子天线辐射场产生具有规定空间方向和间距的球形聚焦光斑的方法。该方法是将规定好长度和极化方向的空间偶极子天线置于4Pi聚集系统的焦点处,通过逆问题解析求解出生成球形聚焦光斑的物镜瞳孔面上的输入场。然后使用瞳孔面处的场,并选择合适的偶极子天线长度,就能获得球形聚焦光斑。数值结果表明,创建的球形聚焦光斑的空间方向与设置的偶极子天线的极化方向一致,球形聚焦光斑之间的距离也等于偶极子天线的长度。本文提出的方法比传统方法更灵活,可以创建具有规定空间位置的球形聚焦光斑,这对空间任意位置捕获纳米粒子具有很大的应用价值。