椭圆偏振矢量光场的生成和焦场测量

论文总字数：26799字

摘 要

光是信息的载体之一，人们开始依赖偏振光所携带的信息去感知世界。光的常规调控包括相位和振幅，不过近些年关于偏振的调控得到越来越多的关注。矢量光场的偏振分布对于光场与物质之间的联系起着关键作用。特别是偏振光在紧聚焦场的奇特性质，使得其表现了广阔的市场潜力。

本文首先简单介绍了光的偏振理论体系，说明了光场的多种偏振态调控。依据是否是增益介质的加入，矢量光场的生成有主动和被动两种方式。在被动生成中，在一个调好的光路中简单替换若干个元件就可以生成其他矢量光场，因此在本文中采用这种方法。随后介绍了被动生成法的基础光学元件空间光调制器。文章还介绍了矢量光场在光存储、激光切割、光学捕获等方面的应用。本文还使用了一个基于4f系统的共路干涉装置去生成椭圆偏振矢量光场，数值模拟聚焦光场的分布。最后，本文还详细介绍了Richards-Wolf矢量衍射理论和瑞利-索墨菲矢量衍射理论，而且给出了椭圆偏振矢量光场非旁轴聚焦的表达式。

关键词：矢量光场，偏振理论，偏振光，紧聚焦

The generation of the elliptically-polarized vector optical fields and the measurement of focusing fields

Light is one of the carrier of information, people begin to rely on the information carried by polarized light to perceive the world.The conventional regulation of light includes phase and amplitude, but more and more attention has been focused on the regulation of polarization in recent years.The polarization distribution of the vector light field plays a key role in the relation between the optical field and the material.In particular, the unique nature of the polarized light in the compact focusing field makes it show a broad market potential.

In this paper, we firstly introduce the theory of optical polarization and the modulation of the polarization state of optical field.According to whether the gain medium is added, the vector light field is generated in two ways, which are active and passive.In the passive generation, we replace a number of elements in a light path to generate other vector fields,which is stated in the paper. The space light modulator,the key optical elements of the passive generation method is introduced in this paper.The application of vector field in optical storage, laser cutting, optical trapping and so on is also introduced.In this paper, we use a common path interference device based on 4f system to generate the elliptical polarization vector field, and simulate the distribution of the focused light field numerically .Finally, this paper also introduces the Richards-wolf vectorial diffraction theory and the Rayleigh-Sommerfeld vector diffraction theory, and an expression for the focus of the non-next-axis of the elliptical polarization vector optical field is given.

KEY WORDS:Vector optical fields;Polarized theory;Polarized light;Tight focusing

目 录

摘要 2

关键词 2

第一章 绪论 4

1.1 引言 4

1.2 光场偏振理论 5

1.2.1 偏振态 5

1.2.2 偏振态的Poincaré表示 7

1.3 轴对称偏振光 10

1.3.2 旋向偏振光 11

1.3.3 广义轴对称偏振光 12

1.3.4 径向和旋向偏振光比较 13

1.4 本文研究目的和主要研究内容 13

第二章 矢量光场的生成与应用 14

2.1 矢量光场的生成方式 14

2.1.1 主动生成 14

2.1.3 空间光调制器 16

2.2 矢量光场的应用 16

2.2.1 光存储 17

2.2.2 激光切割 17

2.2.3 光学捕获 17

2.2.4 超衍射极限聚焦 18

2.3 本章小结 19

第三章 椭圆偏振矢量光场的生成 20

3.1 实验设计 20

3.2 实验分析 22

3.3 拓展延伸 24

3.4 本章小结 25

第四章 椭圆偏振矢量光场的非旁轴聚焦 26

4.1 切趾函数 26

4.1.1 正弦条件约束 27

4.1.2 正切条件约束 28

4.2 Richards-Wolf矢量衍射理论 29

4.3 瑞利-索墨菲矢量衍射理论 31

4.4 椭圆偏振矢量光场的非旁轴聚焦表达式 33

4.5 本章小结 34

第五章 总结与展望 35

5.1 本文的主要工作和贡献 35

5.2 后续工作展望 35

致谢 36

参考文献(References) 37

第一章 绪论

1.1 引言

光是一种很奇妙的事物。它无法通过肉眼直观观察到，却又无处不在。光子的发现，标志着人们朝光学的探索迈出了崭新的一步。光子是信息载体之一，它在科学研究、医学事业、国防事业等各个领域都发挥着重要的作用。在这些年，矢量光场的发展引起了不少人的关注。矢量光场与标量光场相对应，指的是在某一固定时刻、同一波阵面、不一样位置的，具有不同的偏振态的光场。和标量光场有区别的是，矢量光场的偏振态分布是空间变化的，好比说径向和旋向偏振光。由于人们对研究矢量光场研究兴趣的高涨，它的生成方案也得到了增补和扩展，这也得益于旧式光学仪器机能的改良以及新型光学仪器的普及。比如说，人们可以设计各种不同的激光谐振腔来生成高能量的矢量光场。另一种就是本文所采用的，基于4f系统和波前重构生成各种不同的矢量光场。可以展望，矢量光场会在以后光学微加工、光学捕获、非线性光学领域中大放异彩。表1.1列举了几位由于对光学发展进程做出突出贡献而得到诺贝尔奖褒奖的科学家^[1]。

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