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矢量光场波前调控方法及应用研究

谢一言  
【摘要】:光场存在两个重要的调控参量:振幅和相位,除此之外,偏振也是光的一个重要性质。所谓的矢量光场就是指同一波振面上不同位置具有不同偏振态的光场。随着近年来对矢量光场研究的不断深入,光的这种矢量性质以及矢量光场与物质的相互作用已经成为光学检测和计量、显示技术、数据存储、光通信、材料科学、天文学以及生物学等许多研究领域的重要研究内容。其中矢量光场通过散射介质的聚焦已经成为光学测量和成像研究领域的热点之一。因此如何产生具有所需要的偏振态和复振幅的矢量光场以及如何调控通过散射介质后光场的偏振态是该研究领域重点关注的一个研究内容。本文针对矢量光场的产生和波前调控方法进行了实验研究和理论分析,主要研究内容如下:1.对矢量光场调控及其应用的基本概念、研究背景、最新进展及存在的问题进行了综述和分析。重点归纳了基于空间光调制器实现矢量光束波前调控和实现矢量光场通过散射介质聚焦的方法和途径,分析了已有方法存在的不足之处和局限性。2.基于Jones矩阵理论分析讨论了一般和典型矢量光场的数学描述方法并给出了一种模拟矢量光场在均匀空间衍射和传输的计算方法。由于矢量光束的偏振态可以用Jones基元进行表征,因此本章利用Jones矩阵对矢量光束偏振态的表征给出了理论分析,并基于Jones矩阵给出偏振敏感材料和器件的表征方法。然后,基于标量衍射理论对矢量光场的衍射特性进行了计算机数值模拟。最后,基于矢量衍射理论对径向矢量光场的聚焦特性进行了理论分析和计算机模拟。3.提出了一种基于双折射棱镜和液晶空间光调制器产生具有任意偏振和复振幅分布的矢量光束的新方法,并给出了理论分析和实验结果。这种方法不需要复杂的光路,而且所需的光学元件也很简单,在液晶空间光调制器和双折射分束镜之间不涉及其他元件。利用基于液晶空间光调制器的偏振选择计算全息就可以将普通高斯光束转换成各种常用矢量光束,如径向偏振矢量光束、旋向偏振矢量光束和拉盖尔-高斯矢量光束。4.提出了一种实验测量各向异性散射介质的矢量透射矩阵的新方法。很多情况下,散射介质对入射光场的偏振态是敏感的,并且透过散射介质的光场的偏振态也会发生改变。此时,对应散射介质入射面上的一个入射基元,散射介质的透射特性需用一组Jones矩阵参量来表征。本项研究将基于液晶空间光调制器和双折射分束镜的矢量空间光调制器技术用于矢量透射矩阵的测量,将矢量空间光调制技术与角分复用数字全息偏振成像技术相结合设计并实验建立了一种新型矢量透射矩阵测量系统;利用该系统实验测量典型的散射介质(如ZnO等)的矢量透射矩阵,分析研究矢量透射矩阵的分布和演化特性。5.提出了利用矢量空间光调制器和角分复用数字全息偏振成像系统实现通过散射介质的矢量光场聚焦控制新方法,并给出实验验证结果。该方法采用矢量空间光调制器对入射光场的振幅、相位和偏振分布进行综合动态调控,从而进一步提高了聚焦调控范围和自由度;与以上研究的散射介质矢量透射矩阵的测量方法相结合研究了基于矢量透射矩阵确定产生所需聚焦光场的入射矢量光场的振幅、相位和偏振分布的算法并实验研究了不同散射介质的矢量光场聚焦特性。6.进一步提出了一种基于薄膜偏振分光棱镜产生任意矢量光束的新方法,并给出了理论分析和试验结果。尽管之前提出的基于小角度双折射分束器产生矢量光束的方法大大简化了光路同时提高了矢量光束的质量,但是在不同波长或超短脉冲方面也存在一些缺点。由于宽带薄膜偏振分光棱镜对波长不敏感,偏振分束角可以通过旋转相应反射镜来改变,因此新方法可望用于超短脉冲激光的矢量波前调控。我们还表明该系统具有良好的偏振选择性成像能力。另外,该系统提供了两个独立的偏振编码和成像通道,并且对应于两个正交偏振成像通道的点扩散函数可以通过矢量空间光调制器进行分别独立调控,从而可以实现在两个独立偏振通道中对两个不同的物体分别成像或对同一物体进行不同的光学图像处理。


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