微纳结构中Talbot效应和超聚焦效应研究

发布时间：2017-09-28 10:28

  本文关键词：微纳结构中Talbot效应和超聚焦效应研究

  更多相关文章： 二维离散Talbot效应 非线性Talbot效应 超聚焦 超振子透镜 螺旋光栅 矢量光束

【摘要】：Talbot效应亦被称为自成像或者无透镜成像,是指当光入射到周期性物体上时在物体后方的的菲涅耳衍射区域内会周期性地出现自身图像重现的现象。我们研究了在二维离散波导阵列系统中Talbot效应产生的条件以及成像的特性。与在连续空间系统不同,在离散系统中光场被束缚在波导内部,相邻波导之间通过隐失波发生耦合。在一维离散系统中,通常只需要研究最近邻波导之间的耦合。而在二维离散系统中,大多数情况下仅考虑最近邻波导之间的耦合是不够的,这也产生了很多新奇的Talbot自成像特性。另外,我们在实验中还详细研究了周期极化非线性光学晶体中的二次谐波Talbot效应。这种效应反映的是晶体内非线性系数的周期性分布而非折射率的分布,与传统Talbot效应相比拥有许多独特的性质。同时,我们还在分数二次谐波Talbot自成像面中发现了超聚焦的现象,其原理是光场相消干涉效应和超振子效应的双重作用。在此基础上,我们系统地研究了用于实现超聚焦和超分辨成像的超振子透镜的设计理念思路和方法。最后我们还讨论了螺旋光栅对光束的聚焦特性。本论文主要涉及以下四个方面的内容：1.二维离散系统的Talbot效应。在二维离散波导阵列系统的研究中,我们不仅考虑了最近邻波导之间的耦合,还同时考虑了次近邻之间的耦合。通过理论分析发现,要实现Talbot效应,二维系统中两个基矢方向上的周期选取都不能是任意的：周期大小只能是{1,2,3,4,6}中的之一；并且一个方向上的周期若为4,则另外一个方向上的周期还不能为3或者6。为了实现严格的Talbot效应,次近邻耦合系数与最近邻耦合系数的比值也必须要为一个有理数。我们具体分析了六角结构和四方结构的波导阵列,研究了输入周期、次近邻耦合、阵列结构等对二维离散Talbot效应的影响。2.分数非线性Talbot效应。我们使用周期极化的PPLT晶体实现了非线性Talbot效应。在非线性过程中光波波长减半,非线性自成像的分辨率提高了一倍。我们从理论(倒格矢理论和标量角谱理论)和实验两个方面系统研究了非线性Talbot效应。对于六角结构的样品在1/3分数Talbot面,我们观察到了周期变为原来的(?)/3倍和基矢方向旋转30度这一经典分数Talbot现象。在实验中,我们还观测到某些面会出现突破衍射极限的超聚集点,其原理是干涉衍射造成的光场剪裁以及倍频相位匹配带宽限制引入的超振子效应。3.超振子透镜的设计,用于实现突破衍射极限的超聚焦光斑。我们从矢量角谱理论出发,系统地分析了标量光和矢量光通过超振子透镜的传播方程。我们选取了圆偏振标量光束和径向偏振的矢量光束作为入射光来设计超振子透镜结构。对比中我们发现,径向矢量光束更容易把高强度的旁瓣推离中心位置,并且可以得到更小的超聚焦点。不仅如此,使用径向矢量光束还可以设计出拥有更长工作距离的超振子透镜。另外,我们还发现相位型结构的超振子透镜在超聚焦点光强上具有明显优势。4.螺旋光栅对光的聚焦特性。我们主要基于矢量光场的理论以数值模拟的手段,分析了不同类型的螺旋光栅的聚焦效果以及不同类型的偏振光束经过相同螺旋光栅的聚焦差异。我们发现左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过相同的振幅螺旋光栅后,在成像面中心会产生涡旋光束,并且其纵向电场分量的拓扑荷相差为2。径向矢量光束和角向矢量光束通过相同的振幅螺旋光栅后,聚焦光斑的场分量之间呈明显的对称性。
【关键词】：二维离散Talbot效应 非线性Talbot效应 超聚焦 超振子透镜 螺旋光栅 矢量光束
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O436.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-31
• 1.1 Talbot效应11-18
• 1.1.1 什么是Talbot效应11-14
• 1.1.2 Talbot效应的特性与应用14-18
• 1.2 超聚焦效应18-23
• 1.2.1 超分辨成像18-19
• 1.2.2 超聚焦效应19-23
• 1.3 Talbot效应中的超聚焦现象23-26
• 参考文献26-31
• 第二章 二维离散Talbot效应31-52
• 2.1 离散Talbot效应简介31-33
• 2.2 二维离散Talbot效应理论33-41
• 2.3 数值模拟和理论分析41-49
• 2.3.1 六角结构的波导阵列41-45
• 2.3.2 四方结构的波导阵列45-47
• 2.3.3 其他结构的波导阵列47-49
• 2.4 小结49-51
• 参考文献51-52
• 第三章 分数非线性Talbot自成像中的超聚焦效应52-71
• 3.1 非线性Talbot效应简介52-53
• 3.2 分数二次谐波Talbot自成像53-63
• 3.2.1 实验装置与样品结构53-54
• 3.2.2 理论分析与实验结果54-63
• 3.3 Talbot中的超聚焦63-68
• 3.3.1 周期极化晶体中的超聚焦现象63-67
• 3.3.2 周期极化晶体中的超聚焦原理67-68
• 3.4 小结68-69
• 参考文献69-71
• 第四章 超振子透镜中的超聚焦效应71-87
• 4.1 超振子透镜简介71-72
• 4.2 理论分析72-76
• 4.3 超振子透镜的结构设计76-85
• 4.3.1 设计思路76-81
• 4.3.2 圆偏振光与径向偏振光超振子透镜的对比81-84
• 4.3.3 振幅和相位型超振子透镜的对比84-85
• 4.4 小结85-86
• 参考文献86-87
• 第五章 螺旋光栅对光的聚焦效应87-101
• 5.1 螺旋光栅简介87-89
• 5.2 不同类型的螺旋光栅的聚焦89-91
• 5.3 不同类型的偏振光束的聚焦91-97
• 5.4 小结97-99
• 参考文献99-101
• 第六章 总结101-103
• 博士期间发表论文103-104
• 致谢104-105

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1 ;Texture Image Segmentation Using Talbot Effect　[J];Chinese Journal of Lasers;1995年03期

2 陈然，郭永康;Talbot效应研究新进展[J];激光与光电子学进展;1996年08期

3 ;Light Intensity Distribution in Laser Interference Crystallization by Using a Phase-shift Grating and Talbot Effect[J];Chinese Journal of Lasers;1999年02期

4 楼智美;用科纽卷线解释Talbot效应[J];甘肃科学学报;2000年04期

5 楼智美;Talbot效应的新解释法[J];青海师范大学学报(自然科学版);2001年01期

6 王克俊,李强,郭渭荣,左铁钏;二极管激光阵列在Talbot外腔锁相中的超模分析[J];激光杂志;2005年03期

7 赵鹏飞;李强;郭渭荣;刘波;左铁钏;;In-phase output beam from broad-area diode array using Talbot cavity[J];Chinese Optics Letters;2007年05期

8 冯婕;周仁魁;赵建科;袁湘兰;陈永权;张周峰;;对Talbot自成像和几何成像关系的分析[J];光子学报;2008年11期

9 谭峭峰;张琰;金国藩;;High-efficiency spatial color separation method based on fractional Talbot effect[J];Chinese Optics Letters;2009年11期

10 ZHONG-Mei Huang;WEN-Bo Hu;WEI-Qi Huang;;Reflection Talbot Effect and Application[J];贵州科学;2013年04期

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1 L.Deng;E.W.Hagley;J.Denschlag;J.E.Simsarian;Mark Edwards;C.W.Clark;K.Helmerson;S.L.Rolston;W.D.Phillips;;Temporal,Matter-Wave-Dispersion Talbot Effect[A];Laser Cooling: Bose-Einstein Condensation and Atom Laser--Proceedings of CCAST (World Laboratory) Workshop[C];1999年

2 宋新兵;王海波;熊俊;汪凯戈;张向东;罗开红;吴令安;;量子Talbot自成像效应的实验观察[A];第十五届全国量子光学学术报告会报告摘要集[C];2012年

3 王伟宇;曹亮;傅振堂;李晔;;Talbot效应在人眼波前像差测量上的应用[A];第六届全国信息获取与处理学术会议论文集（2）[C];2008年

4 云宇;解平;彭勇;陈兴无;徐熙平;;基于Talbot效应检测光束准直性方法的研究[A];高精度几何量光电测量与校准技术研讨会论文集[C];2008年

5 张成义;陶纯堪;;基于Talbot效应的莫尔技术在亚波长成像中的应用[A];中国光学学会2006年学术大会论文摘要集[C];2006年

6 高志山;吴新民;赵洋;周松钻;;用TALBOT效应测量长焦距系统的优化及误差分析[A];第九届全国光学测试学术讨论会论文（摘要集）[C];2001年

7 罗开红;陈希浩;刘骞;吴令安;;非相干光的非定域Talbot效应[A];第十四届全国量子光学学术报告会报告摘要集[C];2010年

8 朱咸昌;;基于光栅Talbot效应的微透镜阵列焦距测量精度分析[A];第十三届全国光学测试学术讨论会论文（摘要集）[C];2010年

9 孙琛;沈亦兵;白剑;侯西云;杨国光;;Ronchi光栅Talbot效应长焦距测量的精度极限研究[A];大珩先生九十华诞文集暨中国光学学会2004年学术大会论文集[C];2004年

10 蔡伟建;刘西琳;;莫尔条纹技术测量相位物体时其Talbot像面光场分布的确定[A];第七届全国信息获取与处理学术会议论文集[C];2009年

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1 陈振华;微纳结构中Talbot效应和超聚焦效应研究[D];南京大学;2015年

2 刘冬梅;非线性Talbot效应及其在超聚焦中的应用[D];南京大学;2013年

3 吴玲玲;基于Talbot-Moiré技术的长焦透镜焦距测量方法的研究[D];中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所);2010年

4 侯昌伦;基于Talbot效应的长焦距测量系统的研究[D];浙江大学;2005年

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1 朱林伟;Talbot效应的倒格矢理论及其应用研究[D];山东师范大学;2008年

2 陈颖;基于Talbot效应的激光准直系统调校方法的研究[D];华中科技大学;2005年

3 李秋颖;基于光学超晶格电光效应的Talbot效应研究[D];上海交通大学;2014年

4 陈振华;二次谐波Talbot效应及双光栅Talbot成像的研究[D];南京大学;2012年

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本文编号：935343