摘要: 近几十年来，二维和三维的超分辨光场和光诱导磁化场已成为研究的热点，因为它们在光存储、粒子操纵、超分辨成像、全光磁记录和荧光成像等各个领域都有着越来越广泛的应用。而进一步扩展这些超分辨场应用的关键就是使其达到极端的尺寸并且在尺寸、自... 展开 近几十年来，二维和三维的超分辨光场和光诱导磁化场已成为研究的热点，因为它们在光存储、粒子操纵、超分辨成像、全光磁记录和荧光成像等各个领域都有着越来越广泛的应用。而进一步扩展这些超分辨场应用的关键就是使其达到极端的尺寸并且在尺寸、自旋和偏振等方面实现可调节。本文从Richards-Wolf矢量衍射理论出发，通过选取入射矢量光和聚焦系统，实现了对聚焦光场和光诱导磁场在各方面的调控。本文的主要研究成果如下： (1)本文用球面镜产生了纵横比在2000以上的光诱导磁场。对于球面镜这种大像差聚焦系统，不同径向位置的光线可以汇聚到光轴上不同位置，从而产生一条“焦线”而非一个焦点，以此可以得到超长纵向半高全宽(约为1000个波长)的光场。如果在光场的位置放入合适的磁光材料，由于逆法拉第效应，材料中将产生光诱导磁场。通过控制入射环形光的位置和宽度，可以使产生的光场/光诱导磁场的纵向半高全宽和纵横比在一定范围内进行调节。基于同样的原理，本文还提出了一种由旋转抛物面镜改造而来的准旋转抛物面镜。该镜也可以用来产生超长纵向半高全宽的光场和光诱导磁场。这类光场/光诱导磁场有着小的横向尺寸和大的纵向尺寸，是二维的超分辨场。这类场成针状，因此又被称为“光针/磁针”。单个聚焦系统可以产生针状的场。如果使用两个相同的聚焦系统组成一个共聚焦系统，则可以使两个针状场发生干涉，从而产生链状的场。这种链状的场，一般被称为“光链/磁链”。链状场的每个单元可以是二维的超分辨场，也可以是三维的超分辨场，本文以环形旋转抛物面镜作为聚焦系统为例，对这类场进行了研究。通过对入射光的控制，可以使链状场的每个单元在二维超分辨场和三维超分辨场之间转化。 (2)本文对聚焦时入射光到聚焦光场的轨道-自旋角动量转化进行了研究，这对产生自旋角动量方向可控的超分辨光场有着重要的指导意义。本文首先以线偏振涡旋光为例，证明了涡旋入射光会打破聚焦光场的纵向自旋分量的反对称性，从而使焦点附近的纵向自旋分量不为0。然后本文研究了任意平行光入射的情况。结果显示，焦点附近的纵向自旋角动量源自入射光的非零拓扑荷；焦点附近的横向自旋角动量源自入射光相邻拓扑荷分量间的相互作用。基于以上原理，本文选取拓扑荷为0的径向偏振光和拓扑荷为±1的角向偏振光作为入射光来产生自旋角动量方向可调节的超分辨光场。通过控制这三种光束的相对比重，可以实现对焦点附近自旋角动量方向的控制。此外，本文提出了定量地描述聚焦光场的自旋一致性的方法。计算结果表明，本文产生的聚焦光场的自旋一致性可以高于0.996。 (3)本文提出了一种产生三维偏振态可调的超分辨光场的方法。拓扑荷为0的径向偏振光聚焦后在焦点处为纵向偏振，拓扑荷为±1的的角向偏振光聚焦后在焦点处分别为左旋和右旋偏振。这三者构成了一组偏振正交基，因此通过控制这三种光束的相对振幅和相位，可以实现对焦点处三维偏振态的完全控制。此外，本文提出了定量地描述聚焦光场的偏振一致性的方法。计算结果表明，该方法产生的聚焦光场的偏振一致性在0.977以上。 收起