径向偏振高次方指数涡旋光束的紧聚焦特性

为了获得一些具有特殊光强分布的波长量级聚焦 光斑,理论研究了具有径 向偏振特性的高次方涡旋光束经过大数值孔径透镜的聚焦。基于矢量德拜理论,对 径向偏振高次方涡旋光束经过大数值孔径透镜聚焦的光强和相位进行了数值模拟 研究。关于聚焦平面光强分布的研究发现,聚焦光斑的光强与高次方涡旋光束的拓 扑荷数和幂次方数有关。拓扑荷数为1的一次方涡旋光束的聚焦光强呈现圆对称分 布,随着光束幂次方数的增加,演变为非圆对称分布。拓扑荷数为2的一次方涡旋 光束的聚焦光斑为中空的圆对称分布,随着光束幂次方数的增加,其暗核形状会变 化并最终消失。紧聚焦的径向偏振光会产生较强的纵向分量,因此本文还研究了光 束的纵向相位分布,研究发现纵向相位奇点的数目与涡旋光束的拓扑荷数相同。获 得了不同光强分布的尺寸为波长量级的聚焦光斑,这些研究结果有望在基于激光的 光学操控中得到应用。     

Ince-Gaussian矢量光场束腰位置对紧聚焦特性影响的研究

为了获得Ince-Gasussian矢量光场束腰位置对紧聚焦特性的影响规律,采用正交偏振的奇偶模式叠加理论和Richards-Wolf矢量衍射积分理论,对不同束腰位置的Ince-Gaussian矢量光场紧聚焦特性进行了研究。结果表明,在高数值孔径聚焦条件下,入射Ince-Gaussian矢量场的束腰距离透镜位置z_i在一定瑞利长度z_R范围内(z_i < 0.5z_R)改变时,其聚焦场的横向场结构即光强与偏振态分布,依然可以保持稳定;通过聚焦场相位结构分析,给出了在束腰距离透镜位置z_i超过一定瑞利长度z_R范围(z_i>0.5z_R)时,影响横向场结构不稳定的原因;聚焦场纵向偏振分量作为聚焦场的一个自由度,被证明可以用来构建更加丰富的矢量结构光场。此研究结果对复杂结构矢量光场在光学微操控与光信息存储方面的研究有重要参考价值。     

部分相干圆偏振反常涡旋光束的紧聚焦及辐射力研究

根据矢量衍射理论和部分相干理论,推导了部分相干圆偏振反常涡旋光束经过高数值孔径聚焦透镜后的光强表达式.详细讨论了入射光束参数以及聚焦透镜的数值孔径大小对光束紧聚焦特性的影响.研究结果表明:自旋方向,拓扑荷数以及数值孔径大小对光强分布有影响,相干长度以及光束阶数仅改变光强值,光束经过紧聚焦后在轴向方向上自旋角动量可以转换...     

离轴抛物面镜对超短激光脉冲紧聚焦特性的研究

为了研究超短激光脉冲光束质量对焦斑的影响,采用经典的几何模型进行了理论模拟分析,并实验研究了离轴90°抛物面镜的飞秒激光光束的紧聚焦特性。由理论分析和实验结果可知,当入射失准角为3mrad时,将从空间上使焦斑峰值功率密度减半,失准角的存在将引起到达靶面的激光脉冲的时间展宽从而降低焦斑峰值功率密度;利用3TW钛宝石飞秒激光系统,通过ƒ/1离轴90°抛物面镜对激光束进行紧聚焦,得到最佳焦斑尺寸为5.6μm×5.4μm,对应于3mJ和96mJ的飞秒脉冲激光光束的焦斑峰值功率密度分别为3.83×1017W/cm2和1.23×1019W/cm2。结果表明,该研究为开展激光与固体、气体、团簇等物质相互作用的相关实验提供了重要的参考。     

紧聚焦强激光脉冲中电子的非对称性辐射

为了获得紧聚焦脉冲激光作用下电子的辐射特性,采用非线性Thomson散射理论和线偏振紧聚焦激光脉冲与单电子的相互作用模型,利用MATLAB完成数值模拟,获得了电子的运动特性、不同观测角度下的功率与能量分布,以及最大辐射方向上的功率与能量.结果表明,与平面波激光脉冲作用下的非线性Thomson散射现象相似而又不同,在紧聚...     

同心分区相位板对径向偏振光束的调制效应

理论上分析了同心分区相位板对径向偏振光聚焦性质的调制效应。模拟结果表明随着同心分区相位板各部分的半径,相移和偏振旋转角的改变,从而调制径向偏振光的分布,其焦点区域的光强度分布会发生改变,这些结果表明同心分区相位板对径向偏振光的调制效应及其可以用来生成可调光镊。     

径向偏振相干光束阵列的深聚焦

调整相干光束阵列中单元光束的线偏振方向可以得到近似的径向偏振光,但其特性与理想的径向偏振光存在差异。基于Richards-Wolf矢量衍射积分理论,利用数值方法对径向偏振相干光束阵列的深聚焦场进行了分析。研究了实际应用中较为关注的主要参数,即焦面上轴向偏振场及总场主瓣宽度、轴向偏振场的纯净度及产生效率。结果表明,与理想径向偏振光不同,径向偏振相干光束阵列的深聚焦场在焦面上会出现角向偏振分量。采用单环排布并使光束紧贴透镜瞳面边缘,可以产生质量更好的轴向偏振场。对于单环排布阵列,增多光束数目对轴向偏振场及总场主瓣宽度、轴向偏振场的纯度影响不大,但可以提高轴向偏振场的生成效率。     

透镜聚焦数控激光切割机聚焦光束方向研究

研究了数控激光切割机在进行金属板切割时激光束经凸透镜聚焦的聚焦光束传播方向的偏转问题。找出了当激光束中心入射线与聚焦镜(凸透镜)光轴异面时影响聚焦光束方向的几个入射物理量,并运用几何光学原理给出了聚焦光束方向与它们之间的关系式,同时提出了一个调节聚焦光束方向并使聚焦光束垂直于待切割板材板面的方法。切割实验表明,在一定的调节范围内,采用此方法可以方便地调整聚焦光束方向。这一方法也适用于其他采用透镜聚焦的激光加工设备,并为此类设备的聚焦光束方向调节设计提供了一个新的选择和依据。     

J0相关径向偏振涡旋光束紧聚焦的空间相干特性

为了研究J₀相关径向偏振涡旋光束深聚焦的相干特性,采用矢量德拜理论和相干理论,对聚焦场在光轴和焦平面上的相干特性进行了理论分析和数值仿真,取得相干度表达式和模拟数据。结果表明,在焦点区域的纵向相干度不但随着拓扑荷数n的增加而增大,而且还随着相干参量或者数值孔径d_NA的增大而减小;在焦平面的横向相干度也随着拓扑荷数或者相干参量或者数值孔径的增大而减小; 当n≥5或者d_NA≤0.4时,纵向相干度在焦点附近约为1;这种相干度还存在相位异常点。这些研究结果对J₀相关矢量涡旋光束在许多领域的应用具有一定意义。     

部分相干方形平顶电磁脉冲光束经相位调制透镜的聚焦特性

将稳态场的相干偏振统一理论应用于脉冲光束的研究。构建了部分相干方形平顶电磁脉冲光束,并推导出该光束经相位调制透镜后聚焦的交叉谱密度函数表达式。详细探讨了相位调制尺寸、调制深度、调制中心位置以及光束相关长度等对聚焦场光谱强度的影响。研究结果表明,局域相位调制会导致在聚焦场中产生另一光谱强度峰值,光束的相关参数和相位调制参数决定该光谱强度峰值大小,并在一定情况下使之发生移动。特别是当光源相关参数和相位调制参数处于某临界值时,会发生光谱强度峰值开关现象。同时发现,空间相关长度导致光束发生空间焦移,而脉冲时间相关长度导致光谱强度峰值在频率上的移动。     

用于高功率径向偏振光的组合轴锥镜设计

为了提升激光器径向偏振光的输出功率,改进了原有W形轴锥镜内锥角为90°的结构。为研究光束在轴锥尾镜单元的传输特性,采用几何光学分析了轴向入射下、W形轴锥镜底角为90°时,内锥角的改变对出射光的影响,发现出射光的位置及方向不发生变化;为研究轴锥镜的热畸变特性,模拟了W形轴锥镜的温度形变,可知内锥角变大时整体温度变小且分布更加均匀。结果表明,随着内锥角的变大,光束中心的光程减少量相对于光束边沿的光程减少量增大;采用Fox-Li数值迭代法模拟了引入上述形变后谐振腔的激光模式,得出在内锥角为100°时温度形变对光束模式的影响最小。通过对W形轴锥镜温度形变的研究,可为优化W形轴锥镜的设计提供参考。     

Propagation properties of a cylindrically polarized vector beam

A general expression for the electric field of a cylindrically polarized vector beam propagating in free space is derived on the basis of the exact fully vectorial solution of Maxwell equations in transverse Fourier space,which indicates that a cylindrical polarization can be regarded as the combination of radial and azimuthal polarizations, and the electric field retains cylindrical symmetry under the propagation. The simulation results denote that the longitudinal electric field depends on the ratio of the waist width to wavelength and the angle between the electrical vector and the radial direction; in particular, when this angle is 24.5°, a flattop intensity distribution is obtained at the plane z=0.     

径向偏振光的产生及在现代光学中的应用

径向偏振光由于其偏振态关于光轴的对称性以及始终存在的轴上光强为零等特点而备受关注。特别是随着近年来对其实验装置的研究和设计取得了新进展，显著的提高实验系统的灵活性和精度，解决了产生径向偏振光时损耗过多的难题。径向偏振光材料加工以及高分辨测量等方面发挥了重大的作用。随着进一步完善径向偏振光产生的工艺，将使之成为科学领域重要的研究工具。本文对径向偏振光的光场分布形式，产生方法及其在现代光学中的应用做了简要介绍。     

基于几何相位超表面的Ince-Gaussian矢量涡旋光场聚焦

为了实现电介质超表面的聚焦功能和对光场相位的调控,采用几何相位调制原理设计微元结构及空间分布,以SiO₂为基底、亚波长TiO₂椭圆柱的六边形晶胞为基本结构,设计了一种相位突变呈抛物线梯度分布的聚焦超表面,适用于480nm～580nm波段。基于此结构进行了理论分析和实验验证,发现该结构对线偏振光聚焦,其归一化后的半峰全宽约为428nm,而对矢量光聚焦约为258nm,获得了更出色的聚焦效果。研究了3阶和4阶Ince-Gaussian矢量光场通过该超表面后的聚焦特性,得到了聚焦场能保持入射矢量光场的基本空间结构,但中心结构信息会有损失的结果,即Ince-Gaussian矢量涡旋光场由于涡旋相位的存在,聚焦后会呈现破缺的空间结构。结果表明,超表面结构和入射光场矢量结构之间的匹配程度是影响聚焦特性的重要因素。该研究为理解复杂矢量光场的超表面聚焦机理提供了参考。     

基于迭代傅里叶变换算法的光束整形元件位相编码的优化设计

基于迭代傅里叶变换算法 ,提供了对具有 2个台阶二元光束整形元件进行位相编码的优化设计方法 ,详细研究了初始位相选取以及引入强度自由度、位相自由度在迭代傅里叶变换算法中对再现像品质的影响 ,得到了衍射效率更高的光束整形元件位相掩膜     

柱矢量涡旋光束在梯度折射率光纤中的光谱相干度分布

基于广义惠更斯-菲涅尔原理,构建了柱矢量涡旋光束在径向梯度折射率(gradient-index, GRIN)光纤中传输的解析表达式,并研究了其在径向GRIN光纤中的光谱相干度分布。研究结果表明,柱矢量涡旋光束的光谱相干度沿径向关于光纤纤芯中心对称分布。在光纤焦平面处,随着相干长度σ的降低,光谱相干度分布出现的暗环数逐渐增多,且拓扑荷m越大,光谱相干度分布随相干长度σ的变化越明显。相干长度σ一定且拓扑荷m相同时,不同波长λ的光谱相干度分布规律相同。GRIN系数β影响光谱相干度的周期。     

轴对称光束的Gouy相位

研究了高数值孔径聚焦轴对称偏振光束产生的Gouy相位在理论和应用中的重大意义。用倾斜波近似方法可以得到Gouy相位的解析表达式,但计算较繁琐不易应用。等效焦区长度和等效波长两个概念的引入使Gouy相位的计算变得非常方便,可以近似将Gouy相位看作数值孔径NA的多项式拟合函数。利用该表达式推得的焦点附近不规则的相位分布和用数值计算方法得到的结果非常相近,也验证了倾斜波近似理论的正确性。