径向偏振光的产生与应用

I摘要相比于其他具有传统偏振模式的光束，径向偏振光拥有更为优秀的轴向中心对称性(这种特征在传输过程中保持不变)。人们投向径向偏振光的关注越来越多。径向偏振光在高数值孔径条件下的聚焦特性在纳微级制造、操控中得到很多且正变得越来越多的应用。在这篇论文中，我们首先试图理清径向偏振光的数学理论基础，仔细地阐述径向偏振光的光束特性和紧聚焦特性，并展示一些径向偏振光在紧聚焦条件下的示意图。接着，我们介绍了利用两束偏振正交的线性偏正高斯光束产生径向偏振光的方法；总结了理想的径向偏振光与通过二元衍射光学器件产生的径向偏振光间的吻合度，以及该吻合度与传输距离的关系。作为补充，其他一些产生径向偏振光的方式也被介绍出来。紧接着，一项基于径向偏振光紧聚焦特性，被运用于微粒子操纵的应用技术（我们称之为三维光学链操纵技术）被展示出来。为此，我们设计了一个光学衍射器件来调制径向偏振输入光的位相。在紧聚焦情况下，一个光学链能产生的原因是光束通过光学衍射器上两个同轴区域时产生的位相变化，这样的位相变化使得聚焦场附近的空间中产生明暗交替的光场。最后，我们论述了另外一些将径向偏振特性转化到实际运用中的方法。关键字：径向偏振轴对称高数值孔径聚焦相干叠加三维光学链IIAbstractComparedwithotheruniformlypolarizedbeams,theradiallypolarizedbeamperformsperfectspatialaxialsymmetryandthisspecialcharacterkeptwhenittransmitsinfree-space.Thispeculiaritygivesrisetouniquehigh-numberical-aperturefocusingpropertieswhichhasfoundimportantapplicationsinnanoscalemanufactureandmanipulation.Inthispaper,wefirstoverviewthoseintroductionswetalkedabove.Inthesametime,Wealsotrytoexplainthemathematicalconceptsofradiallypolarizedbeam;showsomesimpleimagesofitsfocusproperties.Then,wepresentatheoreticalinvestigationofatechniqueforconvertingtwoorthogonallylinearypolarizedGaussianbeamsintoaradiallypolarizedbeam.Wehaveshownthedegreebetweentherealradiallypolarizedbeamandthebeamwecreatedbyasimplebinarydiffractiveopticalelement，furthermore，weshowtheresultsabouthowthetransmission-distanceinfluencesthedegree.Bytheway,wealsotalkaboutsomeotherwaysforgeneratingradiallypolarizedbeam.Afterthat,anapplicationbasedonthefocuspropertyofradiallypolarizedbeam,whichwecalledopticalchain,usedinparticle-manipulationisshown.AdiffractiveopticalelementisdesignedtospatiallymodulatethephaseofanincomingradiallypolarizedBeam.Foratightlyfocusedbeamathree-dimensionalopticalchaincanbeformedbecauseofthedifferenceintheGouyphaseshiftfromtwoconcentricregionsofthediffractiveopticalelement.Atlast,wepresentalotabouthowthosecharactersofradiallypolarizedbeamcanbetransformedintorealapplications.KeyWords:RadiallypolarizedAxialsymmetryHigh-NAfocusingpropertiesCoherentsuperpositionThree-dimensionalopticalchainIII目录摘要............................................................................................................................IAbstract........................................................................................................................II1前言.......................................................................................................................12径向偏振光的数学基础和特性研究.....................................................................22.1径向偏振光的数学基础........................................22.2径向偏振光的紧聚焦特性......................................33径向偏振光的产生.................................................................................................73.1腔外相干叠加产生径向偏振光..................................73.2利用圆形布鲁斯特棱镜产生的径向偏振光.......................113.3利用亚波长光栅产生径向偏振光...............................144径向偏振光的应用...............................................................................................164.1紧聚焦径向偏振光产生三维光学链捕捉金属粒子.................164.2径向偏振光在激光切割中的应用...............................204.3径向偏振光的其他应用.......................................245总结.......................................................................................................................27致谢......................................................................................................................28参考文献......................................................................................................................2911前言电磁场是物质的一种存在形式，它有特定的运动规律和物质属性，它能够与某些物质以一定方式相互作用。与一般实物相比，场的存在形式有所不同。一般实物局限在一定的空间区域，而场则弥漫在空间中。从光与物质的相互作用来看，光波中电场和磁场的重要性并不相同。对物质的带电粒子，光波电场的作用远远大于光波磁场的作用。所以，在光学中通常把电矢量称为光矢量，把光矢量振动方向称为光振动。光波的电矢量与传播方向垂直。光矢量方向不变、或光矢量方向有规律地变化的光波称为偏振光。在所有光波的特性中，偏振性是其中较为重要的一个。这种自然的矢量特性以及内在禀赋使得许多光学设备和光学系统的设计和实现成为可能。传播中的偏振特性及其与物质的相互作用已经被广泛地研究并应用于光学测量及检测、演示技术、数据存储、光通信、材料科学、天文学乃至生物学的研究当中[1]。在过去，许多的研究都只涉及到空间均匀分布的偏振模式（SOP,即指观察点的偏振态与观察点在光束截面的位置无关），例如线性偏振、椭圆偏振、圆偏振。在这些研究中，SOP的分布并不依赖于光束横截面上的空间位置。近来，这些研究渐渐深入到具有空间变化性的SOP。通过对SOP进行适当而精微的操控，人们预期得到更多可以用以提高光学系统分析能力的效应和现象。在这其中，有独特性质的柱矢量偏振光也出现在了研究之中（柱矢量偏振光更为特殊的偏振光---径向偏振光，是最引人瞩目的一个）。新的研究表明，径向偏振光（电矢量沿着光斑径向，具有轴向中心对称性的偏振光）在物理及材料加工方面有着不可替代的优势。在本篇论文中，我们将简单地阐述径向偏振光的数学表达和模拟结果，并介绍一些关于径向偏振光聚焦特性、产生方法、实际应用的计算机模拟结果。在第二节，我们首先概述了在数学上给出径向偏振光的表达的过程。接着我们梳理了径向偏振光轴向中心对称性以及它在聚焦平面上的光斑属性(对这些特性我们一一地给出了介绍和模拟结果)。产生径向偏振光的方法有很多，在第三节我们选择了其中的一种——腔外相干叠加法——作为示例。我们集中展示了这种方法的理论基础、理论上的模拟以及在计算机上对实验结果的模拟，同时也对模拟结果和理论结果做出对比。然后，作为补充，我们介绍了另外一些产生径向偏振光的方法及其实验装置。类似于对径向偏振光产生方法的介绍，我们在第四节介绍径向偏振光的应用时选择了诸多应用中的一个——捕捉和操控粒子的光学链——作为示例。同样的，我们介绍了其理论基础、理论结果的模拟、实验的模拟。在此节的最后，我们介绍了具有径向偏振特性的激光光束在材料切割应用中对切割效率和效果的影响，并介绍了其他径向偏振光的应用。22径向偏振光的数学基础和特性研究2.1径向偏振光的数学基础我们在前言中提到，径向偏振光实际上是柱矢量偏振光中的一种较为特殊情况。设电场中任一点的电矢量相对于矢径方向的旋角为φ，则电场强度可以表示为[15]：0(,)()[cossin]rErEree（1.1）其中re，e分别是径向和角向的单位矢量。当=0时，（1.1）式表述的便是径向偏振光的电场分布。柱矢量偏振光是振幅和相位都服从沿轴向中心对称分布的矢量光束的麦克斯韦方程的解[1]。在自由空间中，基本高斯光束解为：200(,)exp[i(z)]exp[i]()2()kurzErzqz（1.2）如果我们考虑电场矢量波动方程：20EkE（1.3）那么一个电场方向沿着径向的近轴轴对称矢量光束的表述式为：E(r,)U(,)exp[()]erzrzikzt（1.4）其中U(,)rz满足以下旁轴慢包络近似：21()20UUUrikrrrrz（1.5）解