光场衍射聚焦效应及拓扑荷测量应用

发布时间：2020-06-16 16:42

【摘要】：光场聚焦在科学技术研究中有非常重要的作用,衍射极限以内或以外的光场的聚焦仍是热门的研究课题。光波场的衍射现象很早就被人们发现,且普遍认为光和其他物质波一样经过障碍物后会发生衍射发散的现象,而最近的研究表明光波遇到障碍物会产生衍射聚焦的效应,这将在光束微聚焦方面有很大应用,因为其方法既简单直接,又不需要蚀刻各种各样复杂的结构。涡旋光束是一种具有特殊的螺旋波前结构的新型光束,它有确定的拓扑荷数,并且具有相位奇异性。由于具有诸多独特的性质,所以其在信息编码、光通信、生物医学等方面有重要应用价值。而涡旋光束的拓扑荷是其的一个重要性质,轨道角动量的大小与其密切相关,所以对涡旋光束的拓扑荷测量至关重要,本文将基于光场的衍射聚焦效应,提出一种测量拓扑荷的新方法。本文研究了一维二维光场的衍射聚焦效应和基于此的拓扑荷测量,主要包括以下几个方面:第一,介绍了空间光场的一维衍射聚焦效应,即观察平面光波通过狭缝的衍射聚焦现象。通过研究分析得出,光束通过狭缝后会先聚焦后发散,这打破了传统观念认为的光通过障碍物会衍射发散的认知,而且发现其聚焦的最大光强约为入射光强的1.8倍,聚焦焦距随缝宽的增大而增大,即其聚焦效应可以被狭缝所调制。第二,将一维狭缝聚焦推广到二维小孔的衍射聚焦。首先研究了平面光波通过不同旋转对称性的锐边小孔后的衍射聚焦特性,研究发现,光束通过圆孔、正六边形孔、正方形孔、正三角形孔都会产生衍射聚焦效应,而且得出其衍射聚焦特性与小孔的尺寸和对称性密切相关,对称程度最高的圆孔的聚焦光强最大,约为入射光强的4倍,其他次之;小孔孔径越大,其焦距也越大。最后,就不对称性小孔和小孔的厚度因素作了分析。第三,首先介绍了涡旋光束的基本原理,然后介绍了几种测量拓扑荷的方法,最后基于光场衍射聚焦效应,提出测量拓扑荷的新方法——偏离小孔中心入射法,通过分析孔后光束相位奇点的分裂情况发现,其拓扑荷数等于分裂形成的暗核数加一,拓扑荷符号由奇点分裂方向决定。
【学位授予单位】：暨南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O436.1
【图文】：

阵列结构,狭缝,纳米,障碍物

图 1-1 各种纳米狭缝阵列结构图[5, 7, 8]而是否存在更加简单直接的方法来实现光束聚焦，值得我们继续深入研究。最近现象的研究打破了传统的衍射发散的观念，例如，Guy Vitrant 等人[9]首次在实验了平面光波经过狭缝后的衍射聚焦现象。而本文提到的方法也是利用衍射来实现焦，这种方式简单直接，实验中的小孔容易制作，而且实验操作简单易控制，更场聚焦的焦点强度和焦距等参数可以通过小孔的对称度和尺寸来调制，将在无透超分辨等领域有巨大应用。衍射聚焦发展及研究现状在传播过程中遇到障碍物（遮板、孔等）时，能够绕过障碍物的边缘在障碍物的继续传播的现象，叫做波的衍射现象。衍射现象明显与否，是和障碍物的大小与有关系的，若障碍物线度远大于波长，则衍射现象不明显；若障碍物线度与波长衍射现象比较明显；若障碍物的线度比波长小，则衍射现象更明显[10]。机械波和

示意图,波场,示意图,铜层

扩散抽气机用来维持环境压强。最后观察到了热原子钾的常吻合。onsson 等人[13]研究了一到五条狭缝的多缝电子衍射情况。玻璃为基底的银膜，在高能电流流经的地方会产生低导电涂上铜层，剥离不同铜层形成不同的狭缝，用 50 kV 的电胶片上观察到了电子的衍射现象。物质波（原子、分子等）波场的研究[11-14]，都发现波场经，也慢慢都认可了波场的这一特性，其衍射发散示意图如最近的研究成果所打破，最近的研究表明，一个方形薛定历先聚焦后发散的现象[15]，这与波包的衍射发散行为是相现象不仅存在于量子体系中，而且研究者通过光学实验观。

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