摘要: 随着激光物理的发展，光学作为作为一门基础自然科学，在科技进步和社会发展中扮演着重要角色。传统的标量光场，其空间偏振态均匀分布，人们对其进行调控主要涉及相位和振幅的调控。偏振作为光场的基本属性，近年来，具有空间不均匀偏振态的矢量光场... 展开 随着激光物理的发展，光学作为作为一门基础自然科学，在科技进步和社会发展中扮演着重要角色。传统的标量光场，其空间偏振态均匀分布，人们对其进行调控主要涉及相位和振幅的调控。偏振作为光场的基本属性，近年来，具有空间不均匀偏振态的矢量光场因其独特的空间偏振分布而被人们广泛研究，对其矢量调控必然会产生许多新颖的物理现象。对光场偏振态的调控不仅丰富了光场调控的自由度，而且由其引发的新兴技术和物理现象被广泛应用于粒子微操纵，量子信息处理、激光微加工和光信息传输等领域。本文就矢量光场的紧聚焦现象展开研究，详细讨论矢量光场的紧聚焦性质，着重分析具有分数阶拓扑荷的矢量涡旋光场的紧聚焦特性。本论文的主要研究内容如下： 1、回顾了矢量光场紧聚焦的背景及研究现状、自旋角动量（Spin Angular Momentum，SAM）和轨道角动量（Orbital Angular Momentum，OAM）的物理概念。阐述了生成矢量光场的两种主要方法：主动法和被动法。重点分析了基于4f系统共路干涉叠加的方法生成任意矢量光场，并利用此方法在实验上生成了具有整数或分数阶拓扑荷的矢量涡旋光场（Vector Vortex Optical Field，VVOF）。 2、阐述了计算矢量光场紧聚焦焦场的Richards-wolf矢量衍射理论。随后根据Richards-wolf矢量衍射理论导出了几种矢量光场的焦场光强分布公式。着重分析了分数阶矢量涡旋光场（Fractional Order Vector Vortex Optical Field，FO-VVOF）的焦场光场特征，并详细讨论了其与整数阶矢量涡旋光场紧聚焦时焦场的异同。实验中发现FO-VVOF在聚焦时焦场分量会出现奇数个或偶数个焦斑，这取决于入射场分数拓扑荷的取值。当偏振拓扑荷m与位相拓扑荷n相等时，即m=n时，焦场亮斑出现在焦场的中心。通过对初始光场的偏振态分析，发现FO-VVOF可以看作是具有互相正交的圆偏振光的不同阶涡旋光场的相干叠加。 3、研究了FO-VVOF在被紧聚焦时，焦场的波印廷矢量分布（能流分布）及角动量分布情况。研究发现，局域线偏振的矢量光场在被高数值孔径透镜紧聚焦后，光场横截面中出现了圆偏振分量，圆偏振的出现表明了紧聚焦时局域线偏振的矢量光场会发生线偏振-圆偏振的转化，因此光场出现了自旋角动量（即SAM）。圆偏振的出现引起光场的总角动量分布发生变化，使得聚焦场出现了纵向轨道角动量分量。论文详细探讨了线偏振-圆偏振转化的内在物理机制、焦场横截面上SAM与OAM转换的物理原理。 收起