矢量光场与复杂光学系统相互作用机理研究
发布时间：2020-11-04 09:38
近年来随着偏振光学的迅速发展,人们逐渐意识到偏振能够为光学技术的发展和应用提供更为丰富的自由度。由于独特的空间偏振状态分布,矢量光场在空间传播演化及与物质相互作用的过程中产生了许多新的光学效应和现象,矢量光场已成为了一个令人关注的研究领域。本文主要围绕矢量光场与复杂光学系统的相互作用及机理展开研究,旨在为解决偏振光学领域内的一些前沿问题,如精确调控矢量光场、优化设计高性能的光学系统、提高对光场偏振特性的有效利用、校正和补偿偏振敏感光学系统的偏振像差等科学问题,奠定理论基础并提供技术指导。本文的主要研究内容如下:首先提出了一种基于双延迟器级联系统的矢量光场偏振调控方法。构建了利用双延迟器级联系统调控矢量光场的数学模型,详细讨论了多种不同组合模式下的偏振调控效果和变化规律,包括双1/2波片组合、双1/4波片组合、单1/2波片和单1/4波片组合,分析并仿真计算了不同组合模式对矢量光场的偏振态分布的影响,最后通过实验验证了该偏振调控方法的有效性。其次,以深紫外光刻投影物镜为例研究了复杂光学系统自身的偏振特性。建立了光学薄膜偏振特性分析的数学模型,设计了深紫外增透膜系,并利用MATLAB语言实现了膜系偏振特性参数的计算;在此基础上,基于三维偏振光追迹算法构建了三维偏振像差函数,讨论了三维偏振像差函数的光瞳分布与视场、波长、以及光学薄膜的关系,并分析了二向衰减像差和位相延迟像差的分布规律。最后,研究了矢量光场与深紫外光刻投影物镜的相互作用及机理。分析了矢量光场对光学系统成像质量的影响,采用径向矢量光场和切向矢量光场作为照明光源,讨论了矢量光场的偏振态分布对深紫外光刻投影物镜波像差的影响;研究了光学系统对入射的矢量光场偏振态分布的影响和调制作用,分析计算了采用不同的柱对称矢量光场入射系统后,出射光场的偏振态的分布情况。
【学位单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O436.3
【部分图文】：
图 1.1 矢量光场的偏振态空间分布：(a)径向偏振光束；(b)切向偏振光束；（c）复杂偏振光束光的偏振特性为光场调控提供了新的自由度。由于独特的空间偏振状态分布，光场在空间传播演化及与物质相互作用的过程中产生了许多新的光学效应和现象前矢量光场的主要应用如下：(1)光学微操控：根据矢量光场在高数值孔径下的聚焦特性形成的光辐射压力对粒子进行捕获和操纵[16]，如图 1.2 所示；(2)超衍射极限聚焦：利用柱对称矢量光束进行超衍射极限聚焦，在信息存储和微加工方面有重要应用价值[17-18]；(3)表面等离子激元：矢量光场与金属微纳材料作用后会出现负折射率[19]、非线应[20]和折射率变化[21]等效应，在微纳光学、生物科学等方面有广阔的应用前景；(4)飞秒矢量光场微纳加工：飞秒矢量光束比传统的线偏振激光束在微纳加工上优势，具有效率高、材料损伤小、精度高、可进行三维加工[22]等特点。
光场的偏振态空间分布：(a)径向偏振光束；(b)切向偏振光束；（c）振特性为光场调控提供了新的自由度。由于独特的空间偏振间传播演化及与物质相互作用的过程中产生了许多新的光学场的主要应用如下：微操控：根据矢量光场在高数值孔径下的聚焦特性形成的光捕获和操纵[16]，如图 1.2 所示；射极限聚焦：利用柱对称矢量光束进行超衍射极限聚焦，在面有重要应用价值[17-18]；等离子激元：矢量光场与金属微纳材料作用后会出现负折射射率变化[21]等效应，在微纳光学、生物科学等方面有广阔的矢量光场微纳加工：飞秒矢量光束比传统的线偏振激光束在有效率高、材料损伤小、精度高、可进行三维加工[22]等特点
18(a) S-plate(b) Retarder-1 (c) Retarder-2(d)图 3.2 矢量光场偏振调制原理 3.2 所示，由 S 波片和双延迟器组成的矢量光场调制原理图。入射光光，一般是由激光器发出的基膜高斯光束，假设高斯光束偏振方向沿着沿着 z 轴，可用基尔霍夫公式表示为：( )( )2 22 2012( , , ) exp exp (z)(z) (z) 2x yA x yE x y z x ik z iR z ω ω ++= + + 为原点处（z=0）中心点的振幅， ω ( z)代表光斑的半径， R ( z )代表 x 代表电矢量方向， ( z)代表位相,k 为波数。标量基膜高斯光场经调制为径向矢量光束，如图 3.1(d)所示，径向矢量光场横截面上任意表示为：
【参考文献】
本文编号：2869928
【学位单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O436.3
【部分图文】：
图 1.1 矢量光场的偏振态空间分布：(a)径向偏振光束；(b)切向偏振光束；（c）复杂偏振光束光的偏振特性为光场调控提供了新的自由度。由于独特的空间偏振状态分布，光场在空间传播演化及与物质相互作用的过程中产生了许多新的光学效应和现象前矢量光场的主要应用如下：(1)光学微操控：根据矢量光场在高数值孔径下的聚焦特性形成的光辐射压力对粒子进行捕获和操纵[16]，如图 1.2 所示；(2)超衍射极限聚焦：利用柱对称矢量光束进行超衍射极限聚焦，在信息存储和微加工方面有重要应用价值[17-18]；(3)表面等离子激元：矢量光场与金属微纳材料作用后会出现负折射率[19]、非线应[20]和折射率变化[21]等效应，在微纳光学、生物科学等方面有广阔的应用前景；(4)飞秒矢量光场微纳加工：飞秒矢量光束比传统的线偏振激光束在微纳加工上优势，具有效率高、材料损伤小、精度高、可进行三维加工[22]等特点。
光场的偏振态空间分布：(a)径向偏振光束；(b)切向偏振光束；（c）振特性为光场调控提供了新的自由度。由于独特的空间偏振间传播演化及与物质相互作用的过程中产生了许多新的光学场的主要应用如下：微操控：根据矢量光场在高数值孔径下的聚焦特性形成的光捕获和操纵[16]，如图 1.2 所示；射极限聚焦：利用柱对称矢量光束进行超衍射极限聚焦，在面有重要应用价值[17-18]；等离子激元：矢量光场与金属微纳材料作用后会出现负折射射率变化[21]等效应，在微纳光学、生物科学等方面有广阔的矢量光场微纳加工：飞秒矢量光束比传统的线偏振激光束在有效率高、材料损伤小、精度高、可进行三维加工[22]等特点
18(a) S-plate(b) Retarder-1 (c) Retarder-2(d)图 3.2 矢量光场偏振调制原理 3.2 所示，由 S 波片和双延迟器组成的矢量光场调制原理图。入射光光，一般是由激光器发出的基膜高斯光束，假设高斯光束偏振方向沿着沿着 z 轴，可用基尔霍夫公式表示为：( )( )2 22 2012( , , ) exp exp (z)(z) (z) 2x yA x yE x y z x ik z iR z ω ω ++= + + 为原点处（z=0）中心点的振幅， ω ( z)代表光斑的半径， R ( z )代表 x 代表电矢量方向， ( z)代表位相,k 为波数。标量基膜高斯光场经调制为径向矢量光束，如图 3.1(d)所示，径向矢量光场横截面上任意表示为：
【参考文献】
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6 李刚,高劲松,孙连春;光学系统的偏振像差研究[J];光学技术;2003年05期
本文编号：2869928
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