基于4pi聚焦系统实现特殊焦场结构之间的转换
发布时间：2021-04-12 07:13
基于Richards-Wolf矢量衍射积分理论,利用角向偏振涡旋光束经高数值孔径透镜强聚焦后有径向分量的结论,研究了经衍射光学元件调制的角向偏振拉盖尔高斯光束的4pi聚焦特性。模拟结果显示,通过选取合适的拦截比、数值孔径及衍射光学元件的外环结构三个参量,可以在焦平面上得到平顶光场。在此基础上,通过改变三个参量中的任意一个参量,平顶光场结构均会向光针结构转变;通过改变三个参量中的任意两个参量,会获得很好的暗通道结构,并且获得的暗通道结构基本相同。这些特殊焦场结构之间的转换在光学微操控领域具有潜在的应用价值。
【文章来源】：光学学报. 2020,40(12)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
4pi聚焦系统示意图。（a）强聚焦光学系统；（b)DOE结构图
基于单透镜聚焦研究，在不改变模拟参量的条件下，研究了4pi聚焦系统的焦场分布，发现焦场在ρ-z(z为物空间坐标系中光束传输方向的光强）平面呈光针结构，如图2所示。拓扑核数m=1的角向偏振拉盖尔高斯光束经过DOE和4pi聚焦系统后不再是对称分布的周期性链状结构，而是光场强度呈明显差异的拉伸型针状结构，中心聚焦部分的光场强度大大增加且分布均匀。这是因为在4pi聚焦系统中，从两个相反方向入射的角向偏振涡旋光场具有相位差π，互相干涉作用使得焦场会沿着ρ方向叠加。为了更详细说明光针结构，图2(b）、（c）给出了z=0平面处沿ρ方向的强度分布线图和ρ=0平面处总焦场沿z方向的强度分布，可以看出，总光强关于ρ=0对称分布，并且ρ=0时沿z方向的焦场是不变的。研究发现，改变4pi聚焦系统中某一个光学参量，光针结构很容易被破坏，进而形成其他特殊的焦场结构。为了说明焦点附近特殊光场结构之间的转换和焦场结构的可调控性，选择三个参量为研究对象，分别是调节参量δ4、合适的NA和拦截比β值。
图3(a）给出了β=1.4,NA=0.94，δ4=0.7时总焦场在ρ-z平面的强度分布，可以看出，角向偏振拉盖尔高斯光束经过DOE和高数值孔径透镜后在焦平面附近形成了以ρ=0轴为对称轴的平顶光场聚焦图。图3(b）给出了在z=0平面处焦场沿ρ方向的强度分布曲线图，可以看出，DOE外环参量对焦点附近的光场强度分布具有拉伸作用，在ρ=0两侧附近出现了宽度大约为0.7λ的平顶光场，光场强度较高且均匀分布。对比单透镜聚焦形成的三光链结构，发现原来的两侧次光链的光场强度在4pi聚焦系统中也会发生改变，这是由两侧光场的相干叠加引起的。这些结果说明DOE外环参量的改变会大大影响4pi焦场的结构。为了详细了解δ4对焦场的影响，保持其他参量与图3的模拟参量相同。图4给出了z=0平面处总光强在不同δ4值下沿ρ轴的线性分布图。可以看出，δ4的取值对焦场的结构有很大的影响，当δ4由0.68增大到0.69时，光针结构不改变，但光针宽度增加；当δ4由0.69增加到0.70时，光针结构消失，出现了平顶光场结构；当δ4增大到0.71时，平顶光场结构消失，光场结构有向暗通道结构转变的趋势，这为暗通道结构的产生提供了一个理论依据。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于高阶角向偏振拉盖尔高斯涡旋光束强聚焦的三光链结构[J]. 李维超,杨艳芳,何英,李红艳,段慧慧. 光学学报. 2019(08)
[2]矢量光场与激光焦场定制[J]. 陈建,詹其文. 光学学报. 2019(01)
[3]π相位板产生矢量光束的高数值孔径聚焦特性研究[J]. 陈国钧,周巧巧,纪宪明,印建平. 光学学报. 2014(12)
[4]柱矢量涡旋光束强聚焦特性的修正研究[J]. 刘键,杨艳芳,何英,刘国威,郑晓. 光子学报. 2014(07)
[5]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[J]. 常强,杨艳芳,何英,刘海港,刘键. 物理学报. 2013(10)
[6]Field enhancement analysis of an apertureless near field scanning optical microscope probe with finite element method[J]. Weibin Chen Qiwen Zhan Electro-Optics Graduate Program,University of Dayton,300 College Park,Dayton,Ohio 45469-0245,USA. Chinese Optics Letters. 2007(12)
本文编号：3132876
【文章来源】：光学学报. 2020,40(12)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
4pi聚焦系统示意图。（a）强聚焦光学系统；（b)DOE结构图
基于单透镜聚焦研究，在不改变模拟参量的条件下，研究了4pi聚焦系统的焦场分布，发现焦场在ρ-z(z为物空间坐标系中光束传输方向的光强）平面呈光针结构，如图2所示。拓扑核数m=1的角向偏振拉盖尔高斯光束经过DOE和4pi聚焦系统后不再是对称分布的周期性链状结构，而是光场强度呈明显差异的拉伸型针状结构，中心聚焦部分的光场强度大大增加且分布均匀。这是因为在4pi聚焦系统中，从两个相反方向入射的角向偏振涡旋光场具有相位差π，互相干涉作用使得焦场会沿着ρ方向叠加。为了更详细说明光针结构，图2(b）、（c）给出了z=0平面处沿ρ方向的强度分布线图和ρ=0平面处总焦场沿z方向的强度分布，可以看出，总光强关于ρ=0对称分布，并且ρ=0时沿z方向的焦场是不变的。研究发现，改变4pi聚焦系统中某一个光学参量，光针结构很容易被破坏，进而形成其他特殊的焦场结构。为了说明焦点附近特殊光场结构之间的转换和焦场结构的可调控性，选择三个参量为研究对象，分别是调节参量δ4、合适的NA和拦截比β值。
图3(a）给出了β=1.4,NA=0.94，δ4=0.7时总焦场在ρ-z平面的强度分布，可以看出，角向偏振拉盖尔高斯光束经过DOE和高数值孔径透镜后在焦平面附近形成了以ρ=0轴为对称轴的平顶光场聚焦图。图3(b）给出了在z=0平面处焦场沿ρ方向的强度分布曲线图，可以看出，DOE外环参量对焦点附近的光场强度分布具有拉伸作用，在ρ=0两侧附近出现了宽度大约为0.7λ的平顶光场，光场强度较高且均匀分布。对比单透镜聚焦形成的三光链结构，发现原来的两侧次光链的光场强度在4pi聚焦系统中也会发生改变，这是由两侧光场的相干叠加引起的。这些结果说明DOE外环参量的改变会大大影响4pi焦场的结构。为了详细了解δ4对焦场的影响，保持其他参量与图3的模拟参量相同。图4给出了z=0平面处总光强在不同δ4值下沿ρ轴的线性分布图。可以看出，δ4的取值对焦场的结构有很大的影响，当δ4由0.68增大到0.69时，光针结构不改变，但光针宽度增加；当δ4由0.69增加到0.70时，光针结构消失，出现了平顶光场结构；当δ4增大到0.71时，平顶光场结构消失，光场结构有向暗通道结构转变的趋势，这为暗通道结构的产生提供了一个理论依据。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于高阶角向偏振拉盖尔高斯涡旋光束强聚焦的三光链结构[J]. 李维超,杨艳芳,何英,李红艳,段慧慧. 光学学报. 2019(08)
[2]矢量光场与激光焦场定制[J]. 陈建,詹其文. 光学学报. 2019(01)
[3]π相位板产生矢量光束的高数值孔径聚焦特性研究[J]. 陈国钧,周巧巧,纪宪明,印建平. 光学学报. 2014(12)
[4]柱矢量涡旋光束强聚焦特性的修正研究[J]. 刘键,杨艳芳,何英,刘国威,郑晓. 光子学报. 2014(07)
[5]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[J]. 常强,杨艳芳,何英,刘海港,刘键. 物理学报. 2013(10)
[6]Field enhancement analysis of an apertureless near field scanning optical microscope probe with finite element method[J]. Weibin Chen Qiwen Zhan Electro-Optics Graduate Program,University of Dayton,300 College Park,Dayton,Ohio 45469-0245,USA. Chinese Optics Letters. 2007(12)
本文编号：3132876
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