光場(chǎng)調(diào)控是光學(xué)領(lǐng)域重要的研究課題。在空域上,主要涉及相位和振幅的常規(guī)調(diào)控手段已經(jīng)得到了深入的研究發(fā)展,而光場(chǎng)的偏振調(diào)控正成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一。偏振作為光的內(nèi)稟特性,在光學(xué)科學(xué)和光學(xué)工程的各個(gè)領(lǐng)域中起著重要的作用。與空間均勻偏振態(tài)的標(biāo)量光束不同,偏振和空間模式具有不可分離性的矢量光束由于其獨(dú)特的偏振特性而受到人們的廣泛關(guān)注,并廣泛應(yīng)用于緊聚焦、光學(xué)捕獲和操縱、超分辨技術(shù)、光學(xué)計(jì)量學(xué)和激光材料加工等領(lǐng)域。此外,矢量光束在光通信和量子信息中也有潛在的應(yīng)用前景。通過(guò)利用光子的自旋和軌道角動(dòng)量?jī)蓚�(gè)自由度,矢量光束可用于密集編碼、量子密鑰分發(fā)（QKD）、量子隱形傳輸、糾纏交換和多自由度量子存儲(chǔ)器。矢量光場(chǎng)作為實(shí)現(xiàn)相位和偏振調(diào)控的典型代表,其廣泛的應(yīng)用前景進(jìn)一步促進(jìn)了矢量光場(chǎng)的描述方式和產(chǎn)生方法的發(fā)展。一些特殊的拓?fù)鋷缀误w相繼被提出以更加直觀具體地描述矢量光場(chǎng)的偏振和相位的演變,如高階龐加萊球（HOP）、雜化龐加萊球（Hy PS）等。在產(chǎn)生方式上,一些特定的光學(xué)元件可用于直接產(chǎn)生特定的矢量光束,如亞波長(zhǎng)介質(zhì)光柵、q板、數(shù)字微透鏡、等離激元超表面等。此外,光學(xué)渦旋本征態(tài)在干涉儀中的操控為矢量光束的生成... 

【文章來(lái)源】：山東師范大學(xué)山東省

【文章頁(yè)數(shù)】：66 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

橢圓偏振波的電矢量振動(dòng)橢圓示意圖

山東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文8的單位球，因此它在表示光場(chǎng)強(qiáng)度上具有局限性，如圖1.2所示。圖1.2龐加萊球示意圖以及偏振態(tài)在龐加萊球上的表示。在龐加萊球上，球面上的所有點(diǎn)均代表完全偏振光，球內(nèi)部的點(diǎn)代表部分偏振光，球心的點(diǎn)代表自然光。在這里我們僅對(duì)球面上所代表的完全偏振光進(jìn)行討論。在龐加萊球中，以球心為原點(diǎn)建立笛卡爾坐標(biāo)系，結(jié)合(1-17)和(1-19)式，我們可以得到這三個(gè)斯托克斯參數(shù)和笛卡爾坐標(biāo)軸的對(duì)應(yīng)關(guān)系。龐加萊球面上任一點(diǎn)P都可以用(2ψ，2χ)表示，ψ和χ分別代表偏振橢圓的長(zhǎng)軸取向角和橢偏率角度，這里的角度定義與前面偏振橢圓表示法中的角度具有相同的物理含義。從圖1.2中可以看出，龐加萊球的北極點(diǎn)緯度為2χ=π/2，χ=π/4對(duì)應(yīng)的橢偏率tanχ=1，代表右旋圓偏振光；南極點(diǎn)2χ=-π/2，χ=-π/4對(duì)應(yīng)的橢偏率-1，代表左旋圓偏振光；在赤道上有χ=0，對(duì)應(yīng)著線偏振光，其偏振方向由經(jīng)度2χ決定。通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算，可以將龐加萊球上的點(diǎn)所描述的任一偏振態(tài)用一組正交基矢的線性疊加來(lái)表示：(22)=cos()exp()sin()exp()44LRPjj,+e++e(1-21)上式中正交基矢eL和eR分別代表左右旋圓偏振態(tài)，滿足<eL|eR>=0。結(jié)合圖1.2帶入相應(yīng)的角度可以驗(yàn)證該式的正確性。式中的兩個(gè)三角函數(shù)的平方和為1，說(shuō)明該式是歸一化的，余弦和正弦函數(shù)分別代表左右旋圓偏振態(tài)的權(quán)重系數(shù)，指數(shù)函數(shù)則代表這兩個(gè)正交基矢的相對(duì)相位。通過(guò)選擇不同的本征基矢，龐加萊球上任一點(diǎn)所代表的偏振態(tài)可以表現(xiàn)為不同的形式，除選擇左右旋圓偏振作為正交基矢外，比較常見(jiàn)正交基矢還有水平和豎直線偏振光，通過(guò)將(1-7)和(1-8)式與(1-21)式相結(jié)合，可以得到以下的表現(xiàn)形式：1(22)=[cos()exp()sin()exp()]2441[cos()exp()sin()exp()]244HVP

山東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文10粒子捕獲與微操控，其歸一化的復(fù)振幅分布可以表示為：220,22222()=expL()()()()exp++(2++1)()exp()2R()lllplppωrrrur,,zCωzωzωzωzkkzriplzilz(1-25)其中，Clp為常數(shù)，ω=[2(z2+zR2)/kzR]1/2zR為傳播距離z處的光束半徑，zR是瑞利長(zhǎng)度，Llp為拉蓋爾多項(xiàng)式，Φ(z)=arctan(λz/πω2)，l和p分別表示徑向模式階數(shù)和方位角模式階數(shù)，l的值與該種渦旋光束的拓?fù)浜蓴?shù)相等。圖1.3給出了當(dāng)p=0且l的值分別為-1、+2和+3時(shí)拉蓋爾高斯光束的相位和光強(qiáng)示意圖。第一列為不同拓?fù)浜傻认辔徊ㄇ笆疽鈭D，第二列為L(zhǎng)G光束橫截面的相位分布，第三列為相對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)圖。圖1.3拓?fù)浜蓴?shù)分別為-1,2,3的渦旋光束的等相位面、相位分布和光強(qiáng)示意圖同樣，貝塞爾函數(shù)也可以表征光學(xué)渦旋。在理想情況下，貝塞爾函數(shù)在柱坐標(biāo)系中的表達(dá)式可以寫(xiě)為()=()exp()exp()Jlur,,zJrikzil(1-26)其中Jl表示第一類(lèi)l階貝塞爾函數(shù)，此類(lèi)光束具有無(wú)衍射特征。高階貝塞爾光束可以由拉蓋爾高斯光束轉(zhuǎn)化而來(lái)，利用某一模式的拉蓋爾高斯光束正入射軸錐鏡便可得到相應(yīng)階數(shù)的貝塞爾光束[4]。渦旋光束的生成方法可以分為被動(dòng)生成和主動(dòng)生成兩大類(lèi)。其中，被動(dòng)生成方式通常是通過(guò)調(diào)控動(dòng)態(tài)相位或幾何相位將基模高斯光束或平面光轉(zhuǎn)化為渦旋光束，中間借助一些光學(xué)元件，比如空間光調(diào)制器[5](SLM)、螺旋相位板[6]、超表面[7]等；主動(dòng)生成方式包括自由空間或光纖渦旋激光器[8]和納米集成OAM發(fā)生器等。下面簡(jiǎn)單介紹兩種常見(jiàn)的渦旋光束的生成方式。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Highly efficient generation of arbitrary vector beams with tunable polarization,phase, and amplitude[J]. SHENG LIU,SHUXIA QI,YI ZHANG,PENG LI,DONGJING WU,LEI HAN,JIANLIN ZHAO.  Photonics Research. 2018(04)



本文編號(hào)：3576455