徑向偏振光的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

徑向偏振光的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀摘要：近年來，徑向偏振光由于其關(guān)于光軸的對(duì)稱性以及在高數(shù)值孔徑透鏡聚焦時(shí)能產(chǎn)生非常強(qiáng)的電場(chǎng)等特點(diǎn)而備受關(guān)注。特別是對(duì)其如何在損耗更低的情況下產(chǎn)生和如何更高效地利用在材料加工以及高分辨測(cè)量等方面的研究更是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著進(jìn)一步完善徑向偏振光產(chǎn)生的工藝，將使之成為科學(xué)領(lǐng)域重要的研究工具。本文對(duì)徑向偏振光的研究現(xiàn)狀與在現(xiàn)代光學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀做了簡(jiǎn)要介紹。關(guān)鍵詞：徑向偏振光；應(yīng)用；特殊光場(chǎng)偏振光是指光矢量的振動(dòng)方向不變，或具有某種規(guī)則地變化的光波。按照其性質(zhì),偏振光又可分為平面偏振光（線偏光）、圓偏振光和橢圓偏振光、部分偏振光幾種。徑向偏振光是一種特殊的偏振光，它的電場(chǎng)矢量方向是與徑向平行的。屬于一種軸對(duì)稱偏振光。對(duì)于軸對(duì)稱偏振光，其突出的特點(diǎn)就是在光束橫截面上任意一點(diǎn)有電場(chǎng)矢量方向與徑向的夾角保持不變。圖1徑向偏振光束在用兩正交線偏振光束相干疊加的方式產(chǎn)生所需徑向偏振光時(shí)，會(huì)分別產(chǎn)生徑向偏振光和角向偏振光。對(duì)于這兩種偏振態(tài)定義為：如果場(chǎng)中的每個(gè)點(diǎn)的電場(chǎng)矢量相對(duì)矢徑方向的旋轉(zhuǎn)角度為?，則該點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度一般表示為Er,θ其中r為徑向的單位矢量，θ是角向（切向）的單位矢量，當(dāng)?=0時(shí)，表示徑向偏振矢量；當(dāng)?≠0時(shí)，為角向偏振矢量。從定義來看徑向偏振光是關(guān)于傳播光軸對(duì)稱的，如圖2(b)所示：圖2角向偏振與徑向偏振由于徑向偏振光完美的軸對(duì)稱分布，使得它與線偏振光和圓偏振光相比有著許多顯著不同的特性。比如徑向偏振光具有沿光軸對(duì)稱的電場(chǎng)分布以及中空的圓環(huán)形光束結(jié)構(gòu)，只有橫向的磁場(chǎng)和沿軸的縱向的電場(chǎng)；并且徑向偏振光和角向偏振光都是偏振本征態(tài)，它們?cè)贑-cut晶體中傳播時(shí)，不會(huì)發(fā)生干擾；徑向偏振光在高數(shù)值孔徑透鏡聚焦時(shí)可以產(chǎn)生超越衍射極限的極小的焦點(diǎn)，比線偏振光和圓偏振光的聚焦點(diǎn)小得多，而且聚點(diǎn)區(qū)域的縱向電場(chǎng)變得非常強(qiáng)。1徑向偏振光束的發(fā)展1972年，日本Tohoku大學(xué)的Y.Mushiake[1]等人最先在實(shí)驗(yàn)中得到了徑向偏振光。如圖3所示。圖3Y.Mushiake[1]等人的徑向偏振光產(chǎn)生裝置他們?cè)诤つ始す馄髦C振腔中應(yīng)用圓錐電介質(zhì)元件，通過給除了徑向偏振的其它偏振分量以高損耗，從而通過激光器輸出了徑向偏振光束。1985年，中科院高能物理研究所的莊杰佳利用四塊扇形的半波片膠合成的光學(xué)元件產(chǎn)生了徑向偏振光。1993年，華盛頓STI公司的S.C.Tidwell[2]等人應(yīng)用一臺(tái)干涉儀將一束線偏振光轉(zhuǎn)化成了一束徑向偏振光。1999年，俄羅斯科學(xué)院的A.V.Nesterov[3]等人通過在CO2激光器中放置一個(gè)偏振選擇性的衍射鏡，從而得到了徑向偏振光輸出。其裝置如圖4所示。2007年，德國(guó)斯圖加特大學(xué)的M.A.Ahmed[4]等人在CO2激光器諧振腔內(nèi)，利用多層介質(zhì)膜組成的圓形諧振光柵尾鏡，從而獲得了徑向偏振光輸出。圖4應(yīng)用偏振選擇性的衍射鏡作為激光諧振腔的尾鏡來產(chǎn)生徑向偏振光束的實(shí)驗(yàn)原理圖[3]2008年，日本Tokai大學(xué)物理系的MasamoriEndo[5]采用了一種新穎的激光諧振腔來產(chǎn)生徑向偏振光束。如下兩幅圖所示，圖中表示出了不同部位的光束模式分布。采用W錐形反射元件的激光諧振腔的結(jié)構(gòu)原理圖光束在諧振腔后方境內(nèi)的傳輸形式圖5MasamoriEndo的徑向偏振光產(chǎn)生裝置2徑向偏振光的產(chǎn)生方法與數(shù)學(xué)表述隨著徑向偏振光在越來越多的領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用，人們通過不斷實(shí)驗(yàn)，采用了各種不同的方法來產(chǎn)生它。由于今后我們的研究重點(diǎn)主要是計(jì)算機(jī)模擬而不是通過試驗(yàn)方法得到，故在此不再贅述其產(chǎn)生方法的原理，把重點(diǎn)放在數(shù)學(xué)表述上。2.1徑向偏振光的產(chǎn)生方法產(chǎn)生徑向偏振光的方法大致用以下五種：·空間亞波長(zhǎng)金屬條紋光柵形成徑向偏振光·C-cutNd:YVO4晶體的雙折射產(chǎn)生徑向偏振光·圓錐形布魯斯特棱鏡產(chǎn)生徑向偏振光·相干偏振操縱法產(chǎn)生偏振光·組合半波片法2.2徑向偏振光的數(shù)學(xué)表述在直角坐標(biāo)系下，偏振光束可以用數(shù)學(xué)公式表示為：E=Ax式中(ex,ey,ez)為直角坐標(biāo)系的單位矢量，[Axx,y,z,Ayx,y,z,Azx,y,zψ=arctan軸對(duì)稱偏振光的偏振分布是中心對(duì)稱的。光束橫截面上各點(diǎn)的偏振態(tài)都足線性的，是麥克斯韋方程組在柱坐標(biāo)系中的解，由于光束中心處偏振方向的不確定性，其在中心處的強(qiáng)度存在奇點(diǎn)。一般用數(shù)學(xué)公式表示為E在柱坐標(biāo)系中又可寫為E其中A0r,0為光場(chǎng)的復(fù)振幅分布，可以是Laguerre-Gaussian或Bessel-Gaussian函數(shù)。從右下圖可以看出，空間每一點(diǎn)的振動(dòng)方向僅與點(diǎn)的角位置有關(guān)，角位置為φ的點(diǎn)，其振動(dòng)方向與x軸的夾角為φ+?0，當(dāng)?03徑向偏振光的特性與應(yīng)用3.1徑向偏振光的聚焦特性有許多光學(xué)儀器需要用到銳利的聚焦光束，突出的例子如：光刻、共焦顯微、光學(xué)存儲(chǔ)和粒子誘導(dǎo)。當(dāng)達(dá)到一定的限度時(shí)，電磁場(chǎng)的偏振特性將起到支配作用。圖6為WeibinChen等人在<Numericalstudyofanaperturelessnearfieldscanningopticalmicroscopeprobeunderradialpolarizationillumination>中用電腦模擬出來的聚焦光束能量分布。圖6徑向偏振光聚焦光束能量分布3.2切割金屬對(duì)于材料加工方面的應(yīng)用，尤其是激光切割金屬，目前人們主要采用線偏振或圓偏振的激光束進(jìn)行工業(yè)加工，如用線偏振的TEM00基模切割薄鋼板，更先進(jìn)的激光切割金屬技術(shù)系統(tǒng)采用圓偏振光，人們應(yīng)用圓偏振的基模激光得到了目前最好的激光切割金屬的效果。鐳射光束氣流噴嘴鐳射光束氣流噴嘴圖7金屬激光切割原理圖更進(jìn)一步，從工業(yè)技術(shù)角度看，切割面的輻射吸收最好是軸對(duì)稱的且吸收率最大的。徑向偏振光可以滿足上述要求。從理論上也已證明，采用徑向偏振光的CO2激光器的金屬激光切割效率（切割深度和切割速度的乘積）大約是采用線偏振光或圓偏振光的兩倍[6]。如圖8所示。因此，如果能夠產(chǎn)生高功率的、穩(wěn)定的徑向偏振的激光束，將對(duì)金屬激光切割工業(yè)將產(chǎn)生深刻的影響。圖8經(jīng)過計(jì)算機(jī)模擬的利用TEM01激光模式的徑向偏振光所切割形狀[18]4.3加速粒子對(duì)于徑向偏振光束，一個(gè)重要的現(xiàn)象是它通過透鏡聚焦時(shí)，在透鏡焦點(diǎn)處具有縱向場(chǎng)分量。從物理角度來看，這是非常有趣的，因?yàn)榭v向場(chǎng)分量所攜帶的能量是不會(huì)傳播的。當(dāng)徑向偏振光束通過大數(shù)值孔徑聚焦時(shí)，在焦點(diǎn)將產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的縱向場(chǎng)分量。徑向偏振光束通過聚焦得到的這一光場(chǎng)縱向分量可以被用于相對(duì)論粒子加速。DevkiNandanGupta等人在學(xué)術(shù)論文<ElectronaccelerationtoGeVenergybyaradiallypolarizedlaser>中講到“利用高強(qiáng)度的徑向偏振光將電子加速到十億電子伏特級(jí)別”。4.4粒子捕獲由于高度聚焦的徑向偏振光有非常強(qiáng)的軸向成分，它可以提供較大的梯度力，同時(shí)對(duì)沿光軸方向的坡印廷矢量沒有貢獻(xiàn)，因此它不會(huì)產(chǎn)生軸向的散射和吸收作用。徑向偏振光在光鑷中的應(yīng)用越來越被重視，這項(xiàng)技術(shù)可以用于觀測(cè)納米微粒，微流體分類，構(gòu)建近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡，甚至可以捕捉和操控單個(gè)細(xì)胞或染色體，這對(duì)于細(xì)胞內(nèi)單分子級(jí)的圖像研究開辟了新的研究方法。人們普遍認(rèn)為金屬粒子由于具有很強(qiáng)的散射和吸收作用，所以很難被捕捉到，而徑向偏振光做光源的光鑷可以在三維空間中穩(wěn)定的捕獲金屬粒子。例如，TakahiroKuga等人在他們的論文<NovelOpticalTrapofAtomswithaDoughnutBeam>中提到“利用徑向偏振光做成的光鑷捕獲到金屬瑞利粒子”。<Laser-drivenaccelerationwithBesselbeams>中說到“利用焦聚的徑向偏振光束捕捉到大約108個(gè)原子，并維持了150ms的時(shí)間”。圖9粒子捕獲裝置示意圖[11]4.5提高縱向分辨率徑向偏振光束的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是與線偏振光相比，在聚焦的情況下，徑向偏振光具有更小的光斑面積。通過大數(shù)值孔徑聚焦徑向偏振光，人們觀察到了目前為止最小的聚焦光斑，它的光斑大小要比線偏振光聚焦的光斑大小要小得多。徑向偏振光的這一優(yōu)越特性可被開發(fā)并用于光學(xué)顯微、光刻和光學(xué)數(shù)值存儲(chǔ)。4.5.1優(yōu)化光學(xué)存儲(chǔ)由于徑向偏振光在近場(chǎng)產(chǎn)生的縱向電場(chǎng)比圓偏振光狹窄的多，并且擁有更?。ù蠹s20%）的聚焦點(diǎn)，利用這樣的特性縮小了存儲(chǔ)面上光點(diǎn)的尺寸從而提高了光學(xué)存儲(chǔ)面密度，但是研究表明在介質(zhì)層堆中縱向的電場(chǎng)矢量峰值密度銳減并且其橫向成分占主要地位，這就使得徑向偏振光不適合用于近場(chǎng)記錄系統(tǒng)，但可用于進(jìn)場(chǎng)只讀系統(tǒng)?！?0】4.5.2優(yōu)化光學(xué)顯微鏡的探針將徑向偏振光的聚焦特性用于增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)中的針尖，從而分析得出徑向偏振光用于顯微探針有潛力達(dá)到原子尺寸級(jí)別的分辨率。如圖10?！?7】圖10利用徑向偏振光構(gòu)造的光學(xué)顯微鏡探針5對(duì)未來的展望通過上述介紹可以發(fā)現(xiàn)，通過徑向偏振光可以產(chǎn)生與調(diào)控特殊光場(chǎng)，構(gòu)造如光針、光鏈、光籠等具有特殊