中空圓柱矢量光束的緊聚焦特性研究.pdf

1、圓柱矢量光束的偏振具有軸對稱性，可分解為徑向偏振成分與角向偏振成分。近年來，圓柱矢量光束的緊聚焦特性引起了極大的關注，可廣泛應用于高密度的數(shù)據(jù)存儲、二次諧波的產(chǎn)生、拉曼光譜、粒子操控、納米光刻、激光切割、材料加工、粒子加速、高分辨率成像、全光磁記錄與自旋波操控等領域。因此，探究與優(yōu)化圓柱矢量光束的緊聚焦特性具有重要的實際意義。本論文基于矢量衍射理論與逆法拉第效應，通過特殊二元濾波器與干涉效應對光束波前的調制，系統(tǒng)研究了中空徑向偏振光、角

2、向偏振光、徑向偏振渦旋光與角向偏振渦旋光的光場緊聚焦特性及光誘導的磁性緊聚焦特性，主要研究內容如下：
　　基于矢量衍射理論，研究了緊聚焦的中空徑向偏振光形成亞波長的縱向偏振光針。在通光孔徑中，比較了徑向偏振拉蓋爾-貝塞爾-高斯(LBG)光束與拉蓋爾-高斯(LG)和貝塞爾-高斯(BG)模式的聚焦特性；為了提高聚焦性能，優(yōu)化設計了特殊的三環(huán)形相位濾波器，并探討了它對徑向偏振LBG光束緊聚焦特性的影響，闡明了形成亞波長的縱向偏振光針與波

3、長量級暗中空場的機理；基于瑞利散射理論，計算了這兩種特殊場結構對兩類不同折射率粒子施加的輻射力分布，分析了穩(wěn)定捕獲這兩類粒子的條件。為了同時獲得豐富的聚焦結構，系統(tǒng)研究了不同階的徑向偏振中空高斯(HG)光束的緊聚焦特性。首先，探討了聚焦光斑的橫向半高全寬與光束階和截斷參數(shù)之間的關系，分析了產(chǎn)生平頂光束的條件；其次，采用全局搜索優(yōu)化算法設計五環(huán)形純相位濾波器，實現(xiàn)了超分辨長聚焦深度的縱向偏振光針；最后，基于自主設計的三環(huán)形振幅濾波器，數(shù)值

4、模擬了不同光束階對徑向偏振HG光束聚焦特性的影響，采用干涉理論闡明了形成準周期光鏈與超分辨長聚焦深度的縱向偏振光針的原因。
　　緊聚焦的中空角向偏振光實現(xiàn)亞波長的橫向偏振光針的研究。分析了不同截斷參數(shù)與偏振對雙環(huán)形角向偏振 LG渦旋光束緊聚焦特性的影響；為了有效的減小旁瓣以及消除焦移現(xiàn)象，采用全局優(yōu)化搜索算法設計了七環(huán)形渦旋混合濾波器，同時獲得了超分辨長聚焦深度的橫向偏振光針；通過計算斯托克斯偏振參量，得到方位角與橢圓率的空間變化

5、規(guī)律，進一步證實了聚焦場的橫向偏振性。
　　4π高數(shù)值孔徑物鏡聚焦的徑向偏振HG渦旋光束實現(xiàn)三維超分辨的橫向偏振場的研究。在單高數(shù)值孔徑物鏡聚焦系統(tǒng)中，探討了聚焦性能對于光束階的依賴關系。為了形成亞波長的橫向偏振焦斑，提出采用4π高數(shù)值孔徑物鏡聚焦徑向偏振HG渦旋光束；基于相向傳播的兩束HG渦旋光各個場成分之間的干涉特性，定性的闡明了實現(xiàn)三維超分辨的純橫向偏振場的物理機制；通過計算平均場分布，進一步驗證了局域場的橫向偏振性。為了說

6、明數(shù)值模擬結果的合理性，推導了4π聚焦的超高階徑向偏振渦旋HG光束聚焦場分布的解析表達式。
　　基于矢量衍射理論與逆法拉第效應，探究了緊聚焦的中空圓柱矢量渦旋光形成純縱向磁化場。首先，研究緊聚焦的角向偏振艾里渦旋光束獲得超分辨長聚焦深度的純縱向磁針；剖析了艾里光束的主環(huán)半徑、比例因子和螺旋相位板的旋轉方向對磁化場特性的影響。此外，為了有效的操控與輸運多個原子以及高效的記錄與存儲多層磁光數(shù)據(jù)，首次提出采用特殊設計的渦旋環(huán)形濾波器實現(xiàn)