矢量光场的聚焦特性分析及其光源设计

发布时间：2020-05-25 11:53

【摘要】：随着量子通信等新技术的发展,光子越来越得到当代社会的重视,无论是从科学研究还是经济生产,从医疗再到国防科技,光这个古老而神秘的物理名词,越来越多的被提及,发挥着越来越大的作用,并成为当前科学研究的热点和重点之一。目前,矢量光场的研究已成为光学领域的热点之一,其中,矢量光场的偏振分布会产生很多有趣的特性,举个例子:径向偏振分布的矢量光场可以被紧聚焦产生能量更强的光斑并形成强纵场的光波分布;空间分布的偏振光波可以提供给光子纠缠自由度。所以人们逐渐意识到矢量光场在单分子成像、激光微加工、超分辨率等许多科学领域内潜在的巨大价值。当然,矢量光的研究在世界范围内还处在初级阶段,一些理论问题和实际的生成问题仍等待着人们去探索。因此,本文针对特定的矢量光场进行了理论上的探索并进行了仿真,并利用现有的条件,研制出了一种能够为方便的产生矢量光提供激光光源的Nd:YAG激光器。本文主要内容如下:介绍了矢量光及数学表达,然后介绍了矢量光束的两种生成方法,主动生成和被动生成。两种生成方式的主要区别在于是否在激光谐振腔内生成矢量光束。偏振模式的选择是谐振腔设计的主要方面,主要选择手段可通过双折射、光的二向色性或者微结构光学元件来实现。在被动生成的方式中,我们可以采用液晶元件、空变位相延迟器、偏振器等特殊光学元件实现腔外矢量光场的生成。分析了多涡旋相位的径向矢量光束加载不同拓扑荷的聚焦场特性。利用Richards-Wolf矢量衍射理论,分别分析了双涡旋、三涡旋、四涡旋时加载不同拓扑合数对聚焦矢量光场的影响。分析表明,拓扑荷的变化会影响聚焦光场的分布特性。拓扑荷数目的增加会导致紧聚焦现象,这对光场的调控和激光能量的利用都是很好的理论指导。设计研发出了一款能够为方便的产生矢量光提供激光光源的Nd:YAG激光器,并对其性能进行了优化改进。
【图文】：

光能分布,旋向,偏振态,光场

被广泛的应用到了工业生产、医疗器械、军事对抗、科但是，我们对于激光的认识和操控仍然具有局限性，如何进行有生符合需要的光能分布，仍是人类今后研究光的主要方向之一。主要分为时域调控和空域调控，可以对光场的振幅、偏振态、位有选择的控制，达到想要的调控结果。其中对光场振幅和相位的偏振态的理论研究较少，这也是我们深入了解光场调控的切入点场概述量光场的概念描述定义为：在同一时刻、同一波阵面的不同位置上具有不同偏振态的标量光场线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光场，矢量光场也称的光场[3]。矢量光区别于普通光的性质在于它的偏振态分布在空匀分布的偏振态特性有着潜在的工业应用和学术价值，值得我们行实际的光场操控。

光强分布,旋向,偏振光,光强分布图

旋向偏振光和径向偏振光是最典型的矢量光场，，其偏振态分布如图 1.1 所示。旋向偏振光的波阵面上任意位置的电矢量振动都是沿着方位角方向，径向偏振光的各点的电矢量振动都沿着径向方向[4]。不同矢量光经过同一检偏器后有不同的消光方向。图 1.2 所示为旋向偏振光经过不同角度的检偏器的消光情况。(a)即为旋向偏振光的无检偏器光强分布图，(a)中心有一无光强的相位奇点。(b)为旋向偏振光经过水平 /4波片和 45 度方向检偏器后的光强分布，(b)表明旋向偏振光的每一点的偏振态都是线性的。图(c)、(d)和(e)分别为旋向偏振光经过水平方向、45 度方向和竖直方向检偏器后的得到的光场光强分布图[5]。1.1.2 矢量光场的数学描述由于椭圆矢量光在振幅和相位的特性满足轴对称，其数学表达式是麦克斯韦方程的矢量解，因此我们从椭圆偏振光入手，通过理论推导矢量光场的数学描述。在波导理论中，径向偏振和旋向偏振的模式已被人们掌握，然而，径向偏振和旋向偏振的模式在自由空间的分布还有待研究。对于自由空间，这种典型的傍轴解可通过求解标量的Helmholtz 方程来得到[6]： 2 2 k E 0(1.1)
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O436.3

【参考文献】