界面對矢量光束超分辨聚焦和焦區光斑整形影響研究

《界面對矢量光束超分辨聚焦和焦區光斑整形影響研究》是依託太原理工大學，由張榮擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：界面對矢量光束超分辨聚焦和焦區光斑整形影響研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張榮
• 依託單位：太原理工大學

項目摘要

矢量光束是指在橫截面上具有空間變化的偏振分布的光束。研究發現，矢量光束可實現超衍射極限聚焦，同時還可進行焦區光斑整形，實現光針、平頂、三維光學圍欄等特殊光強分布。矢量光束這些奇特聚焦特性在很多領域具有巨大套用價值，如光刻，光存儲，雷射微納加工，光鑷等。目前理論研究主要集中於探索在均勻介質中如何用矢量光束實現超分辨聚焦和焦區光斑整形。但在矢量光束實際套用中，經過兩種不同折射率介質形成的界面聚焦是常見情形。受兩種介質折射率差異特性影響，以及界面相對幾何焦點位置的影響，矢量光束緊聚焦特性將和均勻介質情況顯著不同。本項目擬研究界面兩側介質折射率差異特性，界面位置，數值孔徑，振幅光闌遮光比等因素對矢量光束超分辨聚焦特性的影響，特別當光束從光密介質向光疏介質超分辨聚焦時，倏逝波對光斑尺寸影響規律。同時，還開展界面對矢量光束焦斑整形影響研究。項目研究結論可為矢量光束緊聚焦實際套用提供更確切理論指導。

結題摘要

矢量光束是與標量光束相對的概念，偏振特性是矢量光束的重要特點。矢量光束在超分辨顯微、光存儲、光刻、雷射微納加工、光鑷等領域有重要套用，因為這些領域都涉及到大數值孔徑透鏡聚焦，此時光束偏振性會有重要影響，從而帶來一些奇特聚焦特性。我們在傍軸條件下求解了矢量亥姆霍茲方程，得到了貝塞爾-高斯矢量光束解，以及拉蓋爾-高斯矢量光束解。為了更好理解矢量光束，我們研究了在諧振腔外產生各種矢量光束的實驗方法，並給出了諧振腔外產生的矢量光束的一般數學描述公式。我們開展了兩種複雜偏振分布矢量光束緊聚焦特性研究工作，分別為角向變化局域橢圓偏振矢量光束和徑向變化雜化偏振矢量光束。對角向變化局域橢圓偏振矢量光束，我們主要研究了偏振階數q和橢圓率對其緊聚焦特性的影響。我們發現當q=1時，這種光束在焦平面總具有圓對稱光強分布，隨橢圓率增大，焦平面光強分布逐漸由一個實心光斑演化成圓環狀光斑。當q≠1時，只有橢圓率取值為1的渦旋圓偏振光束在焦平面形成圓環狀光強分布，而橢圓率取其它值的矢量光束將在焦平面形成2abs(q-1)個聚焦光斑。隨橢圓率取值增加，焦平面的光強分布逐漸由2abs(q-1)個聚焦光斑演化成圓環狀光強分布，然後又重新演化成2abs(q-1)個聚焦光斑。橢圓率取值互為倒數的兩種角向變化局域橢圓偏振矢量光束在焦平面的光強分布形狀相同，但相對旋轉了90/abs(q-1)角度。我們從光束偏振態分布特點角度對以上聚焦特性進行了解釋。對徑向變化雜化偏振矢量光束的研究發現，當光束的偏振態在龐加萊球面的小圓上變化時，其緊聚焦後將得到一個聚焦光斑，且該光斑能夠產生靠近或遠離透鏡的焦移。當光束的偏振態在龐加萊球面大圓上變化時，緊聚焦後將得到兩個相對幾何焦點對稱分布的焦斑。對後一種光束，用環形振幅光闌對焦區光斑進行整形，可以在焦區得到光針狀的光強分布，特別是這種光針的橫截面光強分布一般具有橢圓形狀，而且隨傳輸距離增加，該橢圓的取向會不斷旋轉。