摘要: 随着科学的发展与技术的进步,光子作为信息载体,其新现象、新效应和新应用的探索对当前的科学研究、技术开发以及国防、经济、医学等领域产生愈来愈深远的影响。如何充分发挥光子作为信息载体的优势,光场的调控至关重要。常规调控的手段主要涉及相位和... 展开 随着科学的发展与技术的进步,光子作为信息载体,其新现象、新效应和新应用的探索对当前的科学研究、技术开发以及国防、经济、医学等领域产生愈来愈深远的影响。如何充分发挥光子作为信息载体的优势,光场的调控至关重要。常规调控的手段主要涉及相位和振幅,已经得到了深入的研究并在信息领域获得了广泛的实际应用,对于科学技术和社会进步起到了重大的推动作用。近年来矢量光场的偏振调控引起了广泛关注,正成为当前前沿和热点的研究领域之一。矢量光场的非均匀偏振分布对光场的空时演化及光场与物质的相互作用有重要影响,由此导致许多新颖特性。例如径向偏振的光场可以被紧聚焦成更小的焦斑并具有很强的纵向场分量;偏振态的空间分布为光子纠缠提供了新的自由度以及光场的偏振旋度可诱导光学轨道角动量等。矢量光场的独特性质在生物光子学、量子信息、近场光学、光学微操纵、单分子成像、超分辨显微、激光加速、微加工等领域有着巨大的潜在应用价值。然而,对矢量光场的研究才刚刚起步,还存在许多没有解决的科学和技术难题。本文对矢量光场的生成和调控以及一些新效应进行了实验和理论研究,主要研究内容如下: 1.介绍了矢量光场的一般生成方法,分为主动生成和被动生成两种,分别对应于设计激光谐振腔生成矢量光场和在激光谐振腔外生成矢量光场。谐振腔的设计主要集中于偏振模式选择,可基于双折射或者光的二向色性,也可利用微结构光学元件和光纤,另外也可以利用模式合成方法设计谐振腔生成矢量光场。在激光谐振腔外生成矢量光场主要是利用特殊设计的光学元件或干涉仪,其中,特殊的光学元件包括空变偏振器、空变位相延迟器、液晶元件、亚波长光栅透明光电陶瓷和光纤等。 2.基于光学4f系统和空间光调制器提出了一种灵活的、原理上可以生成任意偏振分布矢量光场的途径。实验生成了多种不同矢量光场,包括偏振态沿旋向、径向(径向和旋向)变化矢量光场以及其他的具有汉字、太极图案和lena头像等二元、三元和多元偏振态分布的复杂矢量光场。以上矢量光场都是局域线偏振的,基于Poincaré球描述理论,提出了杂化偏振概念,即空间分布包含线偏、圆偏和椭圆偏振等不同偏振态,并且实验生成了多种杂化偏振矢量光场。 3.研究了矢量光场的聚焦特性。分析了用于计算聚焦场分布的Richards-Wolf矢量衍射理论的推导过程。基于这一理论,首先讨论了标量光场和标量涡旋的紧聚焦特性;进而研究了径向偏振光紧聚焦产生纵向场的特性;这种纵向场可用来获得超衍射极限聚焦光斑,另一种获得更小聚焦斑的方法是利用拓扑数为1的旋向偏振涡旋;之后分析了利用矢量光场产生中空焦场的方法,提出了一种利用双模1阶柱矢量光场生成可控三维光学围栏的方法,可以生成围栏长度偏差小于2%的均匀三维光学围栏。 4.理论和实验两个方面讨论了柱对称破缺矢量光场的一种新效应,即弧形焦场的劈裂和旋转。当聚焦柱对称破缺矢量光场时,形成了一对弧形的携带着相反自旋角动量和轨道角动量的焦场,并且,弧形焦场相对于聚焦之前的扇形矢量光场沿着方位角方向发生了±π/2的旋转,揭示了形成这一现象的物理原因。这种特殊的效应能够用来进行粒子输运,设计矢量光场光学微操纵实验验证了这一想法。 5.提出了一种新的源于偏振旋度而与位相无关的光学轨道角动量,不同于众所周知的光学涡旋携带的光学轨道角动量。为了验证这一想法,生成了满足产生新的轨道角动量条件的沿径向变化的杂化偏振矢量光场。借助于光学微操纵实验,实验验证了新的光学轨道角动量,聚焦的沿径向变化的杂化偏振矢量光场可以驱动粒子沿聚焦环做圆周运动,而聚焦的局域线偏振的径向变化的杂化偏振矢量光场却无法驱动粒子运动,与理论分析结果完全一致。实验结果也打破了对光的偏振不能影响各向异性材料的局限。 收起