《矢量光束的聚焦特性分析》1800字

矢量光束的聚焦特性分析綜述偏振是光的重要性質(zhì)之一。在上世紀的很多關(guān)于偏振的研究中，大多涉及線偏振光、圓偏振光和橢圓偏振光等這類標(biāo)量光場，它們是一類不依賴于光束截面位置的光束，即在同一波陣面不同空間位置的光矢量的振動方向是完全相同的[1]。2000年，楊沃斯和布朗發(fā)現(xiàn)徑向偏振光(radiallypolarizedbeams,RPB)可以聚焦在焦平面上產(chǎn)生一個強大的縱向和非傳播電場，從而產(chǎn)生比均勻偏振光束更尖銳的焦斑。角向偏振光(azimuthallypolarizedbeams,APB)可以聚焦成一個空心的黑點[2]。RPB和APB是較為典型的柱矢量光束(cylindricalvectorbeams,CVB)。RPB的電場矢量振動方向始終沿徑向方向，且關(guān)于光軸對稱。它的電場表達式是：E(r,?)=E0(r)[cos??x+sin??y]=E0(r)APB的電場矢量振動方向始終沿角向方向，且關(guān)于光軸對稱。它的電場表達式是：E(r,?)=E0(r)[-sin??x+cos??y]=E0(r)其中，E0(r)是光場振幅，x，y，RPB的光場波陣面上任意位置的矢量振動方向都沿徑向的方向，APB的電矢量振動方向都沿方位角向[3]。經(jīng)過這一里程碑式的工作，具有空間偏振態(tài)不同的矢量光束越來越受到人們的關(guān)注。多種方法可以產(chǎn)生矢量光場，可以分為主動和被動兩種產(chǎn)生方式[1,3]。主動產(chǎn)生方法是利用在激光器內(nèi)諧振腔中插入特殊的光學(xué)元件，例如雙折射晶體、雙錐棱鏡、偏振光柵反射鏡[1]等，使光場單一偏振方向分解成o光和e光，其中一個偏振光方向的光接受調(diào)制，轉(zhuǎn)換為徑向偏振或角向偏振的矢量光場[3]。而被動產(chǎn)生方法是在諧振腔外利用特殊光學(xué)元件，例如空間變換的偏振器件、液晶[1]等，增加干涉或衍射光路，在激光腔外進行調(diào)控，將激光器輸出的基模模式轉(zhuǎn)化成矢量光束。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，被動產(chǎn)生方法的光路更清晰穩(wěn)定，操縱也更方便，能生成高質(zhì)量的矢量光。矢量光束聚焦的時候，可以產(chǎn)生圓形光斑，如圖2-1所示，它克服了傳統(tǒng)光學(xué)的衍射極限[1]。圖2-1矢量光束的種類。(a)廣義柱矢量光束；(b)徑向偏振光;(c)角向偏振光[1]近年來，為了提高聚焦成像系統(tǒng)的空間分辨率，許多科學(xué)家對矢量光束的獨特聚焦特性產(chǎn)生了濃厚的興趣，從而使矢量光束得到廣泛的研究。柱矢量光束是一種典型的矢量光束，它的偏振、場強和相位分布都是關(guān)于光軸對稱的，因其豐富而獨特的聚焦特性，取得了很多成果。例如三維光學(xué)籠、周期性光學(xué)鏈等新型聚焦場，在光學(xué)領(lǐng)中取得廣泛應(yīng)用。研究表明，CVB經(jīng)過透鏡聚焦后，會在焦點處產(chǎn)生特殊的物理現(xiàn)象，可以控制一些微小粒子間的相互作用。比如，角向偏振光在聚焦后可以捕獲折射率比周圍環(huán)境折射率小的粒子[4]。2000年，楊沃斯和布朗首次展示了矢量光場的電場分布，如圖2-2所示。研究顯示角向偏振光具有一個橫向環(huán)形的聚焦區(qū)，而徑向偏振光具有強的縱向場，且其產(chǎn)生的縱向場的強度越高與近焦處的偏振光產(chǎn)生的，因此徑向偏振光可以作為更佳的照明選擇[1]。新型聚焦場的發(fā)現(xiàn)，拓寬了光學(xué)領(lǐng)域，在光學(xué)的成像、存儲、加工、捕獲等領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前景，為矢量光場這一領(lǐng)域提供很多理論知識和發(fā)展思路。圖2-2緊聚焦角向偏振光和徑向偏振光的強度分布。(a)角向偏振光在焦平面的強度分布；(b)角向偏振光沿光軸上的強度分布；(c)徑向偏振光在焦平面的強度分布；(d)徑向偏振光沿光軸上的強度分布[1]矢量光束的聚焦特性能夠應(yīng)用于進場顯微鏡、光學(xué)存儲、電子加速等領(lǐng)域。還可以突破衍射極限，獲得聚焦光斑，并對焦區(qū)光強的三位分布進行變形，吸引了很多科學(xué)家們對此進行研究。2003年，Dorn的團隊[5]在實驗中第一次聚焦徑向偏振光獲得0.16λ2的聚焦光斑，小于線性偏振光束0.26λ2的聚焦尺寸。2012年，Z.Chen的研究小組[6]提出了一種利用4π結(jié)構(gòu)的徑向偏振渦旋光束產(chǎn)生具有特殊光強分布的聚焦光束的方法。2014年，J.Shu的團隊[7]研究了雙環(huán)角向偏振光通過電介質(zhì)的聚焦特性，發(fā)現(xiàn)可以產(chǎn)生通過環(huán)形高數(shù)值孔徑物鏡的介電界面聚焦雙環(huán)角向偏振矢量光束，可以產(chǎn)生具有超長聚焦深度（近似于106λ）和亞波長聚焦孔（近似于0.5λ）的暗通道。而且這一種非衍射暗通道可以用于原子實驗（原子透鏡、原子開關(guān)等）。衍射現(xiàn)象是光波動性的主要特征之一。雖然標(biāo)量衍射理論可以解決光學(xué)衍射和光傳輸?shù)葘嶋H問題，但隨著近場光學(xué)的發(fā)展，當(dāng)光束通過大口徑透鏡聚焦時，衍射理論的標(biāo)量近似就不能使用了，于是Richards和Wolf提出了矢量衍射理論。與普通光束相比，激光光束會產(chǎn)生一個強的縱向光場分量，從而形成一個三維的光場[4,8]?；赗ichards-wolf理論，科學(xué)家們分析了雙環(huán)角向偏振光通過環(huán)形透鏡的深聚焦特性。發(fā)現(xiàn)光束經(jīng)大口徑透鏡聚焦后，可以在焦平面上產(chǎn)