【摘要】：隨著現代光學的發(fā)展,激光在光纖通信、生物醫(yī)療、激光武器等領域發(fā)揮著越來越重要的作用。因此,人們對激光光束的特性化需求越來越高,而標量光束已不能滿足人們的需求。近年來,通過對光束的偏振態(tài)、相位和振幅進行獨立以及聯合的空域調控,人們創(chuàng)建了許多新型空間結構光束。其中最典型的如艾里光束、貝塞爾光束、渦旋光束和矢量光束等。這些新型空間結構光束表現出了許多新穎的物理性質和現象,如橫向自加速、無衍射、自動聚焦、超衍射極限的緊聚焦、時空光子彈以及光自旋霍爾效應等。這些新穎性質與現象又進一步激發(fā)了人們對新型光束的探索。最近,這類新型空間結構光束的角動量特性也逐漸引起了人們的關注,探究如何利用與調控光束的角動量,將有可能為結構光束的調控打開新的思路。然而,對光束角動量的研究方興未艾,存在著許多有趣的科學問題值得深入探索。本論文針對矢量渦旋光束角動量的轉換與調控進行了理論和實驗研究,主要內容如下:(1)實驗研究了如何實時高效地產生矢量渦旋光束。通過校正空間光調制器(SLM),實現了 0-2π相位的線性變化。校正后的SLM,可以直接加載純相位圖對入射光束進行精準的相位調控。利用其搭建了一套高效產生矢量渦旋光束的光路系統,實驗結果表明,該系統將矢量渦旋光束的產生效率,相比利用加載計算全息圖方式時的1.5%提高到了 10.2%。進一步研究表明,若引入光束位移器或者三角干涉儀,可以將矢量渦旋光束的產生效率提高到47%左右。(2)理論和實驗研究了光束在兩種介質分界面上反射時的自旋相關位移。通過構建光束的三維傳輸模型,得到了可精準描述光束反射特性的反射矩陣。結合反射矩陣與角譜理論,得出了高斯光束反射時的自旋相關位移。實驗上,當光束以布儒斯特角反射時,利用優(yōu)化的弱測量方案測量了高斯光束反射時自旋相關位移與其偏振方向的關系。此外,推導了徑向偏振光束在部分反射和全反射過程中的自旋相關位移,討論了增強的自旋-軌道相互作用,并利用數值模擬對相關理論結果進行了驗證。(3)理論和實驗研究了對稱破缺振幅擋板對矢量渦旋光束角動量分布的調控規(guī)律。根據衍射的角譜理論,得到了破缺柱矢量光束左、右旋分量衍射遠場分布的半定量表達式,揭示了對稱破缺柱矢量光束產生自旋相關角向分離的物理機制以及關聯參量。利用塞納克干涉儀光路,獲得了振幅對稱破缺柱矢量渦旋光束,實驗觀察了其自旋相關角向分離。進而,利用所得到的調控規(guī)律,首次實現了非對稱的自旋相關分離。(4)理論和實驗研究了非線性渦旋相位對矢量光束角動量的調控規(guī)律。分析了矢量自動聚焦光束的焦場特性。針對非線性渦旋相位調制的衍射遠場,提出利用局部空間頻率映射衍射遠場強度分布的方法,并揭示了這種映射滿足的一般規(guī)律。利用非線性渦旋相位誘導的光自旋-軌道耦合,實現了對矢量自動聚焦光束焦場自旋(SAM)、軌道角動量(OAM)和強度分布的調控。進一步討論了這種局部空間頻率映射關系在研究其他具有復雜波前相位光束傳輸演化特性時的應用。(5)理論和實驗研究了具有OAM的矢量渦旋光束在自由空間傳輸時,橫向偏振態(tài)分布隨傳輸距離的變化規(guī)律。通過分析矢量渦旋光束左、右旋分量的Gouy相位,得到了焦場偏振態(tài)轉變與其偏振階數和相位拓撲荷的關系。利用渦旋波片、半波片和相位掩膜版,靈活高效地產生了高階矢量渦旋光束。進一步,實驗對比了矢量渦旋光束焦場的偏振結構變化,揭示了 Gouy相位調控光場偏振態(tài)轉化的基本規(guī)律。
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龐加萊（Ｐｏｉｎｃａｒ６）球：雖然式（１．２）所示的斯托克斯參量可以．定量地描述光束的逡逑偏振態(tài)分布，但為了更形象直觀地描述光束的偏振態(tài)，１８９２年龐加萊（Ｈ．邋Ｐｏｉｎｃａｒｅ）首逡逑次提出用＝個球（后人俗稱龐加萊球）來描述標量光束偏振態(tài)，如圖１．１所示。從數逡逑學上來說，龐加萊球面上任意一點Ｐ都可以用坐標（２仍２Ｘ）來表示，其中３邋２爐和２％逡逑分別為經度和煒度坐標。球面坐標與斯托克斯參＆＾間的關系可表示為［３５］逡逑２（ｐ邋＝邋ａｒｃｔａｎ［Ｓ２邋／Ｓｙ）邐（１．３ａ）逡逑２ｘ邋＝邋ａｒｃｓｉｎ（５３／Ｓ＾）邐（１．３ｂ）逡逑３逡逑

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本文編號：2616148