中国科学技术信息研究所--国家工程技术数字图书馆

[学位论文] 郭俊伟山东建筑大学 2023年硕士导师: 时术华；杨镇铭共75页

摘要 : 奇异性光场，作为结构光的一种，近年来一直作为研究热点。其中，相位奇异性会产生光学涡旋，偏振奇异性会产生矢量光场。随着偏振奇异光场生成方法的不断产生，推动了其在高数值孔径聚焦、粒子操控、光学信息处理、光通信等各个领域的应用。矢... 展开奇异性光场，作为结构光的一种，近年来一直作为研究热点。其中，相位奇异性会产生光学涡旋，偏振奇异性会产生矢量光场。随着偏振奇异光场生成方法的不断产生，推动了其在高数值孔径聚焦、粒子操控、光学信息处理、光通信等各个领域的应用。矢量涡旋光场，兼具光学涡旋的螺旋状态传播，以及传播截面非均匀偏振分布的矢量状态，拥有着更加广阔的应用潜力。最新的研究方向是多个矢量光束集成的矢量涡旋阵列,它可以对多个粒子同时操控，进行多通道通信、多个位置同时进行激光加工。而如何产生矢量阵列一直是研究重点。目前已经出现了诸如达曼光栅、空间光调制器、超表面等方法。但是，更为简便、灵活生成矢量涡旋阵列光场的方法希望被提出。类比于庞加莱球对偏振态的分析，研究者提出了高阶庞加莱球对矢量光场及偏振态进行描述，高阶庞加莱球球面任意位置的矢量光场可以通过两组圆偏振光作为基矢叠加产生。而多光束干涉可以产生光学涡旋阵列，且采用多孔屏光场调控产生矢量光场的研究也已经出现。在这些研究基础上，我们对多孔屏光场调控生成矢量涡旋阵列的方法进行了更深入的研究。研究成果以及创新点如下: 第一，本文基于菲涅耳衍射、多光束干涉以及矢量光束的叠加原理，设计了一种螺旋线孔屏生成矢量光束阵列的方法。采用左旋和右旋圆偏振光束分别入射所设计的旋向相反两套阿基米德螺旋线方式排布的六孔屏结构，进行光场叠加，产生一阶矢量光场阵列。通过改变螺旋线针孔的位置及出射光强弱，实现对相位差及振幅的调制，从而得到了高阶庞加莱球任意位置偏振态的矢量光场阵列。我们首先对理论进行了验证，并提取部分光强灰度图进行作图，然后定性分析产生的阵列效果以及偏振态分布，从理论上证明螺旋线孔屏可以生成矢量涡旋阵列。该方法是对多光束干涉产生矢量涡旋阵列的扩展，为矢量光场阵列的研究提供一种新的思路。可能应用在光通信、光学捕捉、激光加工等领域。第二，设计了以对称方式排布在半径不同的圆周上的八孔屏和十二孔屏，通过采取不同拓扑荷的涡旋光入射设计好的多孔屏结构，叠加产生更高阶的庞加莱球矢量光场阵列的方法。我们首先选取两套四孔屏以及六孔屏分别进行不等半径的旋转叠加，从而找出了排布在半径不相同的圆周上的八孔屏和十二孔屏可以产生出二阶以及三阶涡旋阵列。然后用拓扑荷数相同但符号相反的二阶涡旋入射两套八孔屏;拓扑荷数相同但符号相反的三阶涡旋入射两套十二孔屏，产生了闭合的二阶以及三阶矢量涡旋阵列。通过调控初始相位差和振幅比模拟出庞加莱球不同位置的偏振态分布并分析，模拟产生了多种矢量分布状态。据了解，之前并未有人使用该方法产生出二阶以及三阶的矢量偏振态。收起

关键词 : 矢量涡旋光场多孔屏光场调控

2. 基于飞秒矢量激光直写技术刻蚀微纳结构的研究

[学位论文] 刘嘉伟太原理工大学 2020年硕士导师: 聂仲泉共93页

摘要 : 飞秒矢量激光直写技术可以极大地压缩激光作用区域，减少激光对材料的热影响，其作用时间以飞秒尺度计算，而离子体生成时间以皮秒尺度计算，可以有效降低等离子体屏蔽效应，从而实现三维超分辨加工。该技术广泛应用在微纳光学、微机械制造、微电子学... 展开飞秒矢量激光直写技术可以极大地压缩激光作用区域，减少激光对材料的热影响，其作用时间以飞秒尺度计算，而离子体生成时间以皮秒尺度计算，可以有效降低等离子体屏蔽效应，从而实现三维超分辨加工。该技术广泛应用在微纳光学、微机械制造、微电子学、微流控芯片制造、高密度的磁光存储和纳米光刻等领域。为了搭建飞秒矢量激光直写系统，完善激光加工技术，实现高精度、高效率地刻蚀微纳光学结构，本文在传统飞秒激光直写系统的基础上引入了矢量光场和涡旋光场，根据Richards-Wolf矢量衍射理论研究了飞秒矢量激光直写技术。首先，研究了径向偏振光和角向偏振光的紧聚焦特性，当径向偏振光入射时，在聚焦光场能产生径向成分Er→和纵向成分Er→，其聚焦光场呈中心亮场分布；角向偏振光入射时，在聚焦光场只能产生角向成分Eφ→，其聚焦光场呈中心暗场分布。分析了矢量光场阵列的紧聚焦性质，能够自由设计聚焦光场阵列满足激光加工需求，并在实验中实现了十字型光场点阵列。讨论了涡旋矢量光场的紧聚焦特性，并在实验中实现了一阶涡旋径向偏振光和一阶涡旋角向偏振光。其次，探究了指数衰减因子ɑ、主环半径r0和比例因子ω对艾里光束入射光场分布的影响。利用粒子群算法优化设计了多环涡旋相位滤波器调制角向艾里光束，紧聚焦后得到了超长无衍射超分辨的横向艾里光针，其半高全宽为0.395λ，聚焦深度为37.432λ，纵横比达到94.788。通过计算斯托克斯参量分析聚焦光场的偏振分布，发现聚焦光场在径向偏振与角向偏振之间交替变化，且光束中心奇异点消失，实现了横向偏振的亮场分布。最后，通过涡旋波片和空间光调制器将矢量光场、矢量光场阵列、涡旋光场与飞秒激光直写技术结合，并通过摸索飞秒矢量激光直写系统的搭建工艺以及各光学元件的使用规范自主搭建了飞秒矢量激光直写系统。我们的飞秒激光器输出波长为532nm，脉冲重复频率达到1MHz，脉冲宽度是280fs，单脉冲能量是1uJ。在实验中，通过真空抽滤法制备了氧化石墨烯薄膜，并探索了入射激光的功率、激光扫描速度、激光曝光时间和激光扫描次数等因素对刻蚀氧化石墨烯薄膜分辨率的影响。探究了线偏振光、径向偏振光与角向偏振光对激光加工分辨率的影响，其中角向偏振激光的加工分辨率最高，而加工结构的特征也受激光的偏振态影响，包含许多的光场偏振信息。利用飞秒矢量激光加工了浓度为500PPM且厚度为0.5mm的高氮金刚石样品，刻蚀的圆孔直径为900nm，加工分辨率达到百纳米。将曝光时间控制在3ms，激光入射功率控制在材料烧蚀阈值以下，飞秒激光可以在金刚石样品中诱导产生色心结构，其中线偏振光的效果最好。利用飞秒激光能够在钛镍合金材料表面诱导产生了表面周期性结构，其方向与激光偏振的方向相垂直，其空间周期非常接近入射激光的波长。收起

关键词 : 飞秒矢量激光直写刻蚀微纳结构矢量光场涡旋光场

3. 涡旋矢量光场的聚焦特性研究

[学位论文] 王强南开大学 2015年硕士导师: 王晓雷共78页

摘要 : 近年来，矢量光场因在基础科学研究、国防、医学等领域的巨大潜力而被科研人员广泛关注。矢量光场的非均匀偏振分布对光场的空时演化有重要影响，导致其不同于传统的标量光场，因此出现了许多新特性。例如径向偏振光紧聚焦可得到很强的纵向分量并形成... 展开近年来，矢量光场因在基础科学研究、国防、医学等领域的巨大潜力而被科研人员广泛关注。矢量光场的非均匀偏振分布对光场的空时演化有重要影响，导致其不同于传统的标量光场，因此出现了许多新特性。例如径向偏振光紧聚焦可得到很强的纵向分量并形成很小的聚焦斑，以及旋向偏振光可生成二维和三维的聚焦中空场等。由于光场的多参量调控，主要包括偏振态调控和相位调控，可产生许多新的光场分布，因此本文对矢量光加载涡旋位相的聚焦特性进行了研究和模拟计算。本论文第一章首先介绍了矢量光场的发展历史，并对其数学表达进行了详尽的描述。第二章对于矢量光场不同类型的生成方法，尤其对梯形Sagnac干涉仪和4f系统生成方法进行了详尽的描述。然后介绍了矢量衍射理论，并描述了不同类型的矢量光场的紧聚焦特性，及其在焦平面上所生成的光场分布，其中包括纵向场、平顶型光场、中空聚焦场。第三章和第四章介绍了本文的主要工作，即对于矢量光场的相位调控，通过对径向偏振光加载涡旋位相来生成新的聚焦光场： (1)第三章研究了径向偏振光加载单涡旋位相时，不同拓扑荷对于聚焦光场的影响特性。利用Richards-Wolf矢量衍射理论，计算得到了不同拓扑电荷数下的聚焦光场。分析表明，随着拓扑荷的变化，焦点光场由一个极小的聚焦斑演化为中空聚焦光场，且可通过拓扑荷的变化对中空聚焦光场的半径进行精确调控，这在光束粒子捕获方面具有重要应用。并且，通过调节数值孔径，可生成平顶型光场；跟传统的圆偏振涡旋光相比，这种产生平顶型光场的方法更加简便，且激光能量利用率更高。此外，对于径向偏振光加载离轴涡旋位相的情况进行了计算和分析，这对于实验操作具有重要的指导意义。 (2)第四章研究了径向偏振光加载双涡旋位相时的聚焦场特性。在加载相同旋转方向的双涡旋位相情况下，当双涡旋同时具有相同拓扑荷时，随着双涡旋距离的增大，聚焦光斑从中空聚焦场演化为聚焦光点；当双涡旋同时具有不同拓扑荷时，随着拓扑荷的增大，聚焦光场的中心逐渐偏离几何中心，呈现半环状分布。在加载不同旋转方向的双涡旋位相情况下，当双涡旋同时具有绝对值相同拓扑荷时，随着双涡旋距离的增大，出现了光斑的偏移现象，这可应用于捕捉折射率高于周边介质的粒子，这在粒子传输和操纵方面具有重要应用；当双涡旋同时具有绝对值不同拓扑荷时，随着拓扑荷的增大，聚焦光场的中心同样逐渐偏离几何中心，呈现半环状分布。论文第五章对本论文工作进行总结，提出了对于矢量光束的相位调控方面的展望。收起

关键词 : 矢量光场聚焦特性相位调控光场分布

4. PT对称材料的光场矢量调控

[学位论文] 文菊浙江理工大学 2021年硕士导师: 陈瑞品共55页

摘要 : 自从量子力学中的宇称-时间（Parity-Time，PT）对称概念被引入到光学领域后，便引起了人们广泛的关注。尤其是发现具有增益损耗的PT对称光学系统可以带来一系列新颖的现象，并且经过了十多年的发展，PT对称被应用于到了各种光学器件中。由于PT对称在... 展开自从量子力学中的宇称-时间（Parity-Time，PT）对称概念被引入到光学领域后，便引起了人们广泛的关注。尤其是发现具有增益损耗的PT对称光学系统可以带来一系列新颖的现象，并且经过了十多年的发展，PT对称被应用于到了各种光学器件中。由于PT对称在科研中存在着巨大的潜在价值，因此与PT对称相关的研究具有重要的意义。光场与物质之间的相互作用一直备受关注，但是大量的研究都聚焦于偏振态均匀分布的标量光场。而矢量光场中具有不同于标量光场的独特偏振分布结构，从而矢量光场与物质的作用可以导致更多新颖的光学现象和效应。因此，与相关新型材料的复杂结构光场矢量调控受到了人们极大的关注，尤其是在PT对称材料中的光场矢量调控。目前，矢量光场与PT对称光学系统相互作用及其相关应用方面还需更深入的挖掘，同时继续探索其新颖的光学现象和矢量调控。本论文主要探究了在PT对称材料中的光场矢量调控，主要内容如下： 1、基于耦合的线性薛定谔方程（LSE）研究了具有螺旋相位和方位角变化偏振态分布的矢量光场（VOF）在PT对称光学系统中的传播动力学。通过分步有限差分法对PT对称光学系统中方位角变化的VOF的Stokes参数的演化过程进行求解。数值结果分析表明，在PT对称光学系统中，VOF外围发生的线-圆偏振的转换是由于两个正交偏振分量的相干叠加，以及探究了改变增益/损耗参数、折射率和光学格子周期对于VOF的偏振态的影响，同时也分析了破缺情况下的矢量光场在PT对称光学系统中下的光束演化情况。 2、基于耦合的LSE探究了具有螺旋相位和方位角变化偏振分布的矢量涡旋光场（VVOF）在PT对称光学系统中的光学角动量的演化特性。通过分步有限差分法对PT对称光学系统中的VVOF的光学角动量的演化过程进行求解。数值模拟结果阐述了位相拓扑荷、偏振拓扑荷、增益/损耗参数和光学格子周期以及折射率对VVOF在PT对称光学系统中的轨道角动量以及自旋角动量的影响。 3、基于径向偏振变化的矢量光束在强非局域非线性介质的演化特点设计了结构简易而又实用的装置。该装置是一种利用矢量光束与介质相互作用从而实现线偏振转换为圆偏振光的装置。在这套装置中，只需通过更改输入光束的输入功率大小或者更改光束在这种特定介质中的传输距离，可以将获得的圆偏振光在三种状态之间随机切换。收起

关键词 : 光学角动量偏振态 PT对称矢量光场矢量涡旋光场线性薛定谔方程

5. 基于超表面自旋轨道相互作用的晶格和阵列矢量光场调控研究

[学位论文] 张瑞瑞山东师范大学 2020年博士导师: 程传福共129页

摘要 : 对新型空间结构光场的探索与调控是当前光学领域的前沿研究热点之一，以理想的方式控制光场的相位和偏振是光场调控的关键。超表面由空间非均匀各向异性微纳结构组成，在与光相互作用的过程中显现出强烈的自旋-轨道相互作用而产生空间变化的光学响应，... 展开对新型空间结构光场的探索与调控是当前光学领域的前沿研究热点之一，以理想的方式控制光场的相位和偏振是光场调控的关键。超表面由空间非均匀各向异性微纳结构组成，在与光相互作用的过程中显现出强烈的自旋-轨道相互作用而产生空间变化的光学响应，这使得超表面能够在亚波长尺度内有效调控电磁波的偏振和相位。通过改变超表面单元结构的旋转角度、几何形状、大小和尺寸可以简单灵活地实现对光场的激发、传输与空间分布的调制。目前超表面的各种重要应用包括宽带消色差超透镜、全息、高效偏振器件、涡旋和矢量光束产生器件等，具有优于传统光学器件的现象和功能。晶格光场是具有周期性分布的结构化势场，最初用来捕获和囚禁超冷原子以实现对单个原子的操控。随着科技的发展，晶格光场被应用于光子晶体光刻、微流体分选、超分辨显微等多个研究领域。此外，将涡旋特性与传统晶格光场相结合形成具有周期性相位奇异的二维晶格光场引起了科学界的广泛关注，相比于没有螺旋相位变化的晶格光场具有更大的应用前景。利用超表面产生拓扑态可调的亚波长晶格光场可以极大简化光学系统的体积，并可能应用于经典物理和拓扑光子学等领域。矢量光场是一种新型的结构化光场，在携带有轨道角动量的同时具有横截面各向异性分布的偏振态，可以用高阶庞加莱球、杂化庞加莱球及广义庞加莱球进行描述。阵列矢量光场是按照一定规则排列的周期性矢量光场，由于其周期性空间分布和传播时的相干性等特性，在光学捕获、光学加工和量子科学领域中起到重要作用。现阶段阵列矢量光束的产生主要依赖于复杂的传统光学元件，而利用超表面结构实现亚波长尺度的阵列矢量光场对推动高阶庞加莱球阵列矢量光束向亚波长尺度方向发展具有重要意义。本论文利用等离激元超表面对光场相位和偏振态的控制规律，实现了纳米尺度的晶格光场和高阶庞加莱球上Bell态阵列矢量光场的产生与调控；基于超表面的自旋-轨道相互作用使光场调控具有更高的偏振自由度这一特点，实现了拓扑态独立可控的双偏振通道纳米晶格光场。本论文的研究内容如下： 1.绪论部分概述了本论文内容相关领域的研究背景。首先介绍了等离激元的基本概念、特性及应用；介绍了超表面的概念，分析了基于超表面的广义斯涅耳定律、超表面的相位调控方式及其典型功能器件；介绍了自旋-轨道相互作用现象在光学中的基本起源和重要应用；介绍了偏振态及相关偏振器件；介绍了涡旋光束、矢量光束的基本特性以及矢量光束在高阶庞加莱球上的描述；概括并分析了宏观尺度涡旋阵列光束和晶格光场的特征及产生方法，以及基于等离激元微纳结构和超表面产生亚波长晶格光场的研究现状。 2.第二章通过在分段螺旋线上排列旋转的正交纳米缝对结构，实现了圆偏振亚波长光学晶格场的产生和调控。首先，利用金属纳米缝激发表面等离激元的原理分析得出每对纳米缝的功能等效于一个二分之一波片，具有将入射圆偏振光转化为手性反转的圆偏振光的功能。将纳米缝对作为结构单元旋转排列在分段螺旋线上，模拟多光束干涉并通过调整缝对的旋转和螺旋线的螺距分别调整超表面的几何相位和动态相位，以调整相邻两段螺旋线激发光束的相位差，从而达到调控光学晶格拓扑态的目的。理论分析得到了Hexagonal、Hexagonal vortex、Kagome以及Honeycomb四种拓扑态的光学晶格场的表达式，总结了螺旋线螺距、纳米缝对的旋转速度和入射圆偏振光的手性对晶格拓扑态的调控规律。以Honeycomb晶格场为例，通过改变各段螺旋线的长度分析并讨论了光学晶格场的演化过程。根据公式计算理论结果并与FDTD模拟结果相比较。实验搭建马赫-曾德尔干涉系统记录四个超表面产生的四种光学晶格场的光强图样以及其与参考光的干涉条纹，经计算提取了晶格光场的相位分布。最后，对实验结果进行分析和讨论，证明了利用分段螺旋超表面产生并调控亚波长光学晶格场的可行性。 3.第三章提出超表面中光的自旋-轨道相互作用可以实现对双偏振通道光场的调控，基于多光束干涉原理设计了由金属纳米缝阵列组成的圆形孔径分别排列在圆和螺旋线上两种超表面，分别实现了双偏振通道的具有独立拓扑态的亚波长光学晶格场。首先推导出单个纳米缝在圆偏振光入射下的激发光场是手性相反的两自旋通道中圆偏振光场的叠加，然后根据表面等离激元的惠更斯-菲涅尔原理，分析得出水平线偏振光激发下的超表面在其中心区域产生空间重叠的双偏振通道晶格光场。理论推导了偏振滤波的过程，最终在互相垂直的两个线偏振方向滤出两个相反自旋通道的晶格光场的表达式。总结了两种超表面对应的参数并且从相位的角度分析各偏振通道中光学晶格拓扑态的调控规律。分析并讨论了超表面产生双偏振通道晶格场的FDTD模拟结果。实验搭建马赫-曾德尔干涉系统和偏振滤波系统，分别记录两个超表面产生的双偏振通道晶格场的光强图样和干涉条纹，计算提取了各通道中晶格光场的相位分布。最后，对实验结果进行分析和讨论，验证模拟结果。 4.第四章提出一种分立扇形区域内同心圆弧段上排布的单缝超表面以实现高阶庞加莱球赤道上的聚焦亚波长Bell态阵列矢量光场。在同心圆弧形成的分立扇形区域内排列单缝结构，模拟相邻光束间等相位差的多光束干涉，产生涡旋晶格光场。针对左右旋圆偏振入射光设计了旋向嵌套的两组超表面，各组超表面具有径向透镜相位和旋向涡旋相位分布，可实现正交圆偏振的拓扑荷相反的两组涡旋晶格光场的叠加。进而改变其中一组超表面纳米缝的初始取向角来调节两组晶格光场之间的相位差，获得庞加莱球赤道上四个Bell态，即|TM>，|TE>，|HEe>和|HEo>四种模式的阵列矢量光场。本章从理论上介绍了超表面透镜和涡旋相位分布的表达式和两种相位的组合方法。根据惠更斯-菲涅尔原理推导出距离超表面10微米横截面内的两组具有正交圆偏振和相反拓扑荷的涡旋阵列光场的表达式，以及两者叠加成为阵列矢量光场的表达式。分析并讨论了超表面产生阵列矢量光束的FDTD模拟结果，并用模拟数据计算了光场的偏振态分布，验证理论的可行性。收起

关键词 : 物理光学超表面晶格光场阵列矢量光场

6. 基于矢量光场的纳米光针产生技术

[学位论文] 刘立巍中国科学院大学 2021年硕士导师: 史立芳共76页

摘要 : 高深宽比微纳结构在众多领域得到了广泛的应用，因此如何实现高深宽比微纳结构的加工制备至关重要。对于普通的微纳结构来说，光刻技术是制备该类元件的首选。经过不断的发展，纳米压印光刻技术、投影光刻技术、激光直写技术等光刻技术已经被广泛的应... 展开高深宽比微纳结构在众多领域得到了广泛的应用，因此如何实现高深宽比微纳结构的加工制备至关重要。对于普通的微纳结构来说，光刻技术是制备该类元件的首选。经过不断的发展，纳米压印光刻技术、投影光刻技术、激光直写技术等光刻技术已经被广泛的应用于微纳结构的制备。其中激光直写技术凭借其加工的多样性和灵活性，成为了制备高深宽比微纳结构的首选。然而，在激光直写技术中，直写光斑的光束质量直接决定着所能制备的结构。但在聚焦系统中，聚焦光斑大小和焦深是相互制约的关系，难以同时满足亚波长大小和极长焦深的要求。因此，利用传统的聚焦光斑难以制备高深宽比的微纳结构。那么如何突破传统理论的限制，设计并获得一种可以兼具高分辨和长焦深的光针结构聚焦光斑，成为高深宽比微纳结构的直写加工中亟需解决的问题。矢量光场因为具有偏振态非均匀分布的特点，经过透镜聚焦后往往会伴随一些新颖的光学现象产生。本文通过对矢量光场的聚焦特性进行研究，提供了一种基于矢量光场产生高深宽比纳米光针的方案并进行了实验验证。在研究中，首先通过对比分析证明了角向偏振光在产生长焦深聚焦光斑方面的优越性。进一步的，分析了入射光场分布和聚焦透镜数值孔径对聚焦光斑的影响，并给出了理论公式作为指导。在此基础上，初步建立了基于角向偏振光产生长焦深纳米光针的模型，并对所设计的模型进行了详细的设计和优化。优化中，针对光针结构难以表征的问题，采用100倍的显微放大系统和压电陶瓷位移台相结合的方案来获取聚焦光斑大小和焦深的信息，进而获得了聚焦光斑的三维结构参数。针对系统中存在的衍射现象，采用特殊设计的软边光阑对系统进行了优化。最终，通过实验对理论进行验证。实验中使用所设计的系统来聚焦角向偏振涡旋环形光束，产生了光斑大小为0.416λ，焦深为15.6λ的纳米光针，证明了使用角向偏振光产生长焦深纳米光针的可行性和优越性。收起

关键词 : 纳米光针矢量光场角向偏振光光场调制聚焦特性

7. 基于焦场强度调控的光镊技术研究

[学位论文] 王玉松东南大学 2019年硕士导师: 芮光浩共60页

摘要 : 光力效应源自于光与物质相互作用过程中的动量交换，利用这种力学效应人们开发了能够在无接触和无损活体条件下对纳米至微米尺度微粒实施稳定捕获和灵活操控的光镊技术。光镊技术使得人们对微小物体的研究从被动的观察转为主动的观测，在生物学、物理... 展开光力效应源自于光与物质相互作用过程中的动量交换，利用这种力学效应人们开发了能够在无接触和无损活体条件下对纳米至微米尺度微粒实施稳定捕获和灵活操控的光镊技术。光镊技术使得人们对微小物体的研究从被动的观察转为主动的观测，在生物学、物理学、化学等领域均有着重要的广泛应用。然而，传统光镊系统中使用的捕获光源均为标量光场，在捕获范围和势阱深度等方面限制了光镊技术对特定种类粒子的捕获效率。随着激光技术的飞速发展，人们已经能够在腔内和腔外对光场的矢量分布进行有效的调控，这种有着特殊偏振分布的矢量光场催生出了大量新颖的光镊技术，对原有光镊技术进行了很好的补充和提升。众所周知，粒子在光场中的力学效应与光场的强度分布有密不可分的联系，因此其稳定性和动力学行为都将受到焦场强度调制的控制。借助于矢量光场在紧聚焦条件下独特的场分布特性，我们开发了一系列基于入射场偏振态控制的焦场强度调控技术，并探索了此类光场在光镊技术中的应用。实验方面，我们搭建了基于连续激光的光镊系统，利用多种不同波长的激光器实现了对微米尺度介质粒子的稳定捕捉；理论方面，我们利用理查德-沃尔夫矢量衍射理论着重研究了柱矢量涡旋光场的紧聚焦特性，详细分析了物镜数值孔径、入射光场的偏振态和拓扑荷数对于聚焦场Gouy位相和波前间距分布的影响，给出了Gouy位相和波前间距分布之间的联系。基于矢量光束的紧聚焦特性，我们利用两束相向传输的径向偏振一阶拉盖尔-高斯光生成了球形的中空焦斑，并采用偶极近似理论对处于焦点附近粒子的力学特性进行了分析，证实该类焦场适用于高折射率和低折射率粒子的三维稳定捕获和操控。此外，我们提出了一种利用二阶全庞加莱球光束生成了二维平顶焦场的方法，验证了该平顶光场在三维空间捕获纳米粒子的可行性。本文的研究工作对于矢量光场的调控以及新型矢量光场在光镊中的应用开拓了思路，为焦场位相研究、测量学、光学捕获和微操控领域提供新的解决方案。收起

关键词 : 光镊光学微操控涡旋光束矢量光场光场调控

8. 基于矢量光场的光学自旋角动量调控

[学位论文] 孙雪峰曲阜师范大学 2023年硕士导师: 潘岳；高旭珍共43页

摘要 : 随着激光技术的发展以及对激光的进一步深入研究，人们对激光技术的认识正在不断完善。目前有许多关于激光的研究成果，这些研究成果促进了科技的发展以及人类社会的进步，对现代人类文明的发展起到了重要的促进作用。由于激光的重要性，科学家通过调... 展开随着激光技术的发展以及对激光的进一步深入研究，人们对激光技术的认识正在不断完善。目前有许多关于激光的研究成果，这些研究成果促进了科技的发展以及人类社会的进步，对现代人类文明的发展起到了重要的促进作用。由于激光的重要性，科学家通过调节激光的参数可以更加深入的发掘激光的潜力，因此形成了一个重要的研究方向——光场调控领域。偏振是光的重要本征属性，调控空间变化的激光偏振态以获取新颖的矢量光场吸引了研究者的关注。矢量光场由于其波面上空间变化的偏振态，表现出了许多普通激光光场不具备的新颖性质,因此被广泛应用在量子信息、光学微加工、生物光子学、超分辨显微成像、近场光学等领域。然而，矢量光场的研究潜力还并未被充分发掘，矢量光场的研究领域仍旧存在很多值得关注的内容。同时,光子的自旋角动量是与圆偏振态有关的,圆偏振光的自旋角动量为±(h）。近年来，基于矢量光场的自旋角动量操纵技术受到了广泛关注，其应用领域包括纳米光子学、量子通信和量子光学等，所以通过矢量光场进行对光子自旋角动量的研究也是一种很有价值的研究方向。本文首次提出了两种新型的矢量光场，在理论和实验上生成了这些矢量光场，并研究了其自旋角动量的新颖效应，丰富矢量光场种类的同时为光子自旋角动量的研究提供了新的物理依据，有望被应用于纳米光子电路、光学微操纵和信息传输等领域。主要工作内容包括如下两个方面: 1.基于双极坐标系设计了多极坐标系，并由此构造了多极矢量场。将多个双极坐标系旋转不同角度，根据这些具有不同旋转角度的双极坐标系构造了多极坐标系，然后在多极坐标系中构造了偏振态随着空间变化的多极矢量场并且给出了详细的构造原理和数学描述。这为设计矢量光场提供了新思路，在一定程度上丰富了矢量光场的种类。从理论和实验上生成了多极矢量场，并且发现在弱聚焦的情况下，光场的自旋角动量发生了“0-1”和“1-0”的产生和湮灭的过程。从理论上对这一现象进行分析，在数学和物理层面给出了相应的解释，为研究光子的自旋角动量的聚焦行为提供了新的认识。 2.基于对称性设计了对称调制的杂化矢量场(SM-HP-VOF)。给出了SM-HP-VOF构造原理和详细的数学描述，并在实验上利用空间光调制器以及4f系统生成了这种新型光场。将该光场与传统杂化场进行比较，在紧聚焦的情况下,SM-HP-VOF在焦场处的自旋角动量是纯横向的，这是传统杂化场不能实现的结果，从而使杂化场的可研究领域更加广泛。模拟了紧聚焦情况下各个参数对于焦场的横向自旋角动量的调控能力，参数主要包括SM-HP-VOF的分区数目2N、涡旋拓扑荷m和分段涡旋相位的涡旋拓扑荷l。结果表明各个参数均可以在一定程度上调控焦场的横向自旋角动量的形状、大小和对称性。提出的SM-HP-VOF及其可以灵活调控的横向自旋角动量为研究矢量场和横向自旋角动量提供了新的思路。收起

关键词 : 矢量光场光场调控偏振态自旋角动量

9. 全矢量光场的产生及其应用

[学位论文] 陈召忠南京大学 2016年博士导师: 丁剑平共121页

摘要 : 随着激光技术的发展进步，人们越来越多地认识到光所携带的丰富信息可以作为探测和感知物质世界的手段。若要充分发挥光子作为信息载体的优势，对光场的调控至关重要。光场调控主要包括在时间域和空间域对光场进行调控两大类，调控的光场参量主要是频... 展开随着激光技术的发展进步，人们越来越多地认识到光所携带的丰富信息可以作为探测和感知物质世界的手段。若要充分发挥光子作为信息载体的优势，对光场的调控至关重要。光场调控主要包括在时间域和空间域对光场进行调控两大类，调控的光场参量主要是频率、振幅、相位和偏振。在时间域可以调控光场的频率。对光场的振幅、相位和偏振分布的调控构成对光场的空域调控，这也是本论文的主要研究内容。在光学的发展历程中，对振幅和相位的调控技术已经比较成熟有效，而对偏振的调控相对较难，特别是要同时实现对振幅、相位和偏振的调控就更为复杂。通过偏振自由度的引入加之对振幅和相位的调控，无疑会导致光场演化以及光与物质相互作用的新效应。本文将集中研究对光场空间参量的完全调控也即全矢量光场的产生及其应用。本论文工作的主要创新如下: 1.提出了一种振幅、相位和偏振可被同时完全调控的矢量光场生成方案。论文回顾了前人提出的基于4f系统和空间光调制器的矢量光场产生方案，该方案的原理是光束的先分解后合成，基模的高斯光束经过空间光调制器和空间滤波后变为两束偏振方向相互垂直的基矢量光，而后这两束基矢量光通过一个Ronchi光栅合成为一束矢量光。在之前的方案中，受空间光调制器工作模式的限制，只能调控两个基矢量光场的相位分布，不能调控其振幅分布，这样就只能调控所合成光场的偏振和相位而不能调控光场的光强分布;而且所合成的矢量光场的偏振态只能位于Poincaré球的一个大圆上，不能覆盖整个Poincaré球。为了突破上述局限，我们采用了光场复振幅的纯相位编码算法，可以利用相位型空间光调制器完全调控两个基矢量光场的振幅和相位，因此可以实现对由它们所合成的矢量光场的振幅、相位和偏振的完全调控，也就是可以产生全矢量光场。论文中提出的全矢量光场生成方案，是普遍适用的。要产生任意所需的矢量光场，首先将其分解为偏振正交的两个基矢量光场，然后使用纯相位编码算法编码两个基矢量光场的复振幅，最后通过基于4f系统的矢量光场生成系统来生成这一光场。我们设计了相应的实验验证了该方案的实用性和可靠性。 2.提出了一种聚焦光场的逆向设计方案，实现了对焦场空间参量的完全调控。焦场设计要解决的主要问题是如何获得与焦场对应的入射场，现今被普遍采用的方案，一种是迭代方案，一种是正向方案。正向方案本质上是一种试探方案，根据经验主动改变入射场的结构来获得所需的焦场。但是由于试探过程复杂，而且只对某些特定类型的焦场有效，因而该方案应用范围有限。而迭代方案是一种近似方案，而且迭代的收敛性与焦场具体结构有关;此外，迭代过程中要求至少有一个光场参量作为自由参数，因而不能用于全矢量光场的设计中。由于正向设计和迭代设计都比较费时，所以很难用在需要对焦场进行实时动态调控的场合。本论文中提出的全矢量焦场的设计方案，是通过逆向计算获得与焦场对应的入射场的。逆向计算的基础是Richards-Wolf矢量衍射理论以及根据坐标变换获得的光场在物镜出瞳和入瞳之间的转换矩阵;在逆向算时可使用快速傅里叶变换和啁啾变换，以保证计算的快速和准确。在逆向设计方案中，入射场的获取仅需一步计算，不需要试探，不需要设定自由参数，因而该方案可以实现对焦场的实时动态的全矢量调控。我们通过实验验证了该设计方案的有效性和普适性，论文还首次提出并使用逆向设计方案在焦场中产生了完美矢量涡旋光场。 3.提出了一种基于剪切干涉的相位涡旋拓扑荷检测方案。此方案不仅可以用于标量光场相位涡旋拓扑荷的检测，还可以用于矢量涡旋光场的相位拓扑荷检测。该方案是将带相位涡旋的光场通过一个平行偏振分束镜后一分为二，所产生的两束光的传播方向平行且偏振态相互垂直，而它们的光束中心有一个横向平移。通过这两束光的偏振干涉条纹就可以判断出涡旋的大小和手性。该方案用于检测标量光场相位涡旋拓扑荷时，干涉条纹中围绕两个光强奇点的干涉臂的数目相等且与相位涡旋拓扑荷的绝对值相等，而干涉条纹的方向对应拓扑荷的正负;用于矢量涡旋光场的相位拓扑检测时，围绕两个光强奇点的干涉臂的数目，分别反映两个正交圆偏振偏振分量所携带的相位涡旋拓扑荷的绝对值，而干涉臂的方向则分别反映相位涡旋拓扑荷的正负，通过两个正交偏振分量的相位拓扑荷，就可以逆推出矢量涡旋光场的相位涡旋拓扑荷。相比于其它检测涡旋拓扑荷的方法而言，基于剪切干涉的涡旋拓扑荷的检测方案的优点是，该检测方案不依赖于具体的光场产生光路，可以独立构建和使用;所用元器件精简，光路搭建十分方便;抗干扰能力强，因为我们的光路不要求对涡旋光的中心进行对准，各元件的距离也没有特殊要求，只需要依次通过各个光学元件，就可以产生足够区分不同拓扑荷的实验现象;通过这些现象不仅能区分拓扑荷的大小也能区分拓扑荷的正负;并且不需要对CCD所记录的图像进行后续处理，甚至某些情形下，相位拓扑荷可以用肉眼直接分辨出来;此外，该方案中所用核心元器件具有很大损伤阈值，可以用于高功率情况下涡旋相位拓扑荷的检测。我们通过实验验证了所提出的拓扑荷检测方案，并证实该方案对相干光和部分相干光都有效。收起

关键词 : 全矢量光场空间参量完全调控

10. 新型庞加莱球矢量光场的设计及其焦面调控

[学位论文] 王梦帅曲阜师范大学 2021年硕士导师: 潘岳;高旭珍共46页

摘要 : 随着激光的产生以及相关科学技术的不断发展，我们对光学的认知也在不断加深，为了更深入地挖掘激光的潜能和转化相关光学知识的应用价值，大批科研工作者把目光投向了光场调控这一领域。在光的基本性质中，振幅、频率、相位和偏振是表征和调控光场的... 展开随着激光的产生以及相关科学技术的不断发展，我们对光学的认知也在不断加深，为了更深入地挖掘激光的潜能和转化相关光学知识的应用价值，大批科研工作者把目光投向了光场调控这一领域。在光的基本性质中，振幅、频率、相位和偏振是表征和调控光场的重要参数，对于偏振，人们主要是以矢量光场的形式对光场的偏振态进行空域调控。矢量光场相对于传统的标量光场具有丰富的调控自由度，为焦场的空间分布提供了更多变化，拥有许多新颖的性质。随着人们对矢量光场研究兴趣的增加，开发新型矢量光场的需求也愈发迫切。庞加莱球是一种表征偏振态的模型，球壳上的每一个点表示一种偏振态。通过将不同的正交偏振光叠加等方式，研究者们得到了全庞加莱矢量光场，并应用在了一些领域，如平顶光束整形、偏振发生器、光学捕获和光学通信等。本文围绕着一种新型庞加莱球矢量光场的设计生成及聚焦性质进行研究，主要内容如下： 1.提出了一种通过将庞加莱球的球面二维展开来构造庞加莱球矢量光场的方法，包括全庞加莱球矢量光场和半庞加莱球矢量光场，即光场的偏振态可以覆盖庞加莱球面上所有区域或一半区域。定义了庞加莱球矢量光场中所有可以灵活调控的自由度，给出了这种新型矢量光场的偏振态表示方法。理论仿真了各种参数下光场的偏振态分布和斯托克斯参量，分析了这些矢量光场的偏振态分布特点。 2.利用基于加载了二维全息光栅的空间光调制器和4f光学系统的任意矢量光场生成方法，我们生成了这种新型庞加莱球矢量光场，包括利用北半球得到的半庞加莱球矢量光场和利用南北半球互相拼接得到的全庞加莱球矢量光场。将实验结果与模拟仿真的结果进行对比，发现理论仿真的结果吻合较好，并总结了可能的误差原因。 3.根据Richards-Wolf矢量衍射理论研究了新型庞加莱球矢量光场的聚焦特性与焦场的偏振态分布。根据偏振态分布将焦场覆盖到庞加莱球上，利用摩尔威特投影将焦场对庞加莱球的覆盖转化为二维图案，并研究了通过改变入射场的参数来调控焦场在庞加莱球上覆盖率的变化规律。发现在北半球的右旋偏振态占整个波面偏振态的比例满足黄金分割率时，可以在焦面上实现高质量的的全庞加莱球矢量光场。最后利用焦场对庞加莱球覆盖的二维图案更直观地分析了聚焦过程中光场的自旋角动量变化情况。我们发现，半庞加莱球矢量光场与全庞加莱球矢量光场在聚焦过程中会发生自旋角动量的湮灭和转化，对矢量光场自旋角动量的研究具有一定的启发意义。收起

关键词 : 偏振态矢量光场庞加莱球焦场