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基于相位调制的手性光场特性研究

杨大海  
【摘要】:在光学和纳米光子学的应用中,光束整形技术起着相当重要的作用。其中手性光场作为光束整形中的重要光场结构之一,在进行超快激光加工、手性微纳刻蚀以及超分辨显微成像等时,具有更多的优良特性。例如:具有更多可控自由度的手性光场可以进行三维扭臂微纳手性结构的刻蚀。本文基于涡旋光场螺旋形相位分布的特点,使用纯相位型液晶空间光调制器(SLM)实现了手性光场的调控,并对手性光场的产生方法和光场特性进行了深入研究。本文的主要研究内容如下:基于坐标变换矩阵和旋转矩阵的相位计算方法,提出了一种旋转方位可控的复用椭圆涡旋。该方法也可实现高阶拉盖尔-高斯(HLG)涡旋的调控。通过理论仿真得到了离心率和方位角可控的椭圆涡旋和复用HLG的光场和相位分布,并进行了实验验证,理论仿真和实验测量结果相符。旋转椭圆涡旋和HLG涡旋都可应用于粒子加速以及进行量子纠缠通信等。基于环形分区涡旋组合相位调制方法,提出了光斑大小和方向可控的手性光场。通过改变不同的环形分区组合相位分布以及分区相位之间的相位梯度关系,能够有效的调控手性光场的光场瓣形分布。通过控制锥形系数、环形分区相位之间梯度拓扑荷数的正负和大小,可同时实现手性光场的大小、方向和空间分布形状的自由调控。环形分区组合相位的提出,优化了利用相干的方法产生手性光场的方式。产生的可控光场可直接应用于微纳材料的刻蚀,可产生更为丰富的三维空间结构。提出了多参量可调的手性光场与手性光场阵列。通过引入调控旋转椭圆涡旋的方法,可实现手性光场调制的多参量可调,克服了单一的通过环形分区相位梯度的正负来控制手性光场方向的约束;可以自由地调制手性光场空间分布和离心率的变化。多波长的手性光场调制实验表明,手性光场的可控自由度达到五个,分别是形状、大小、方向、离心率和阵列数量。手性光场阵列的提出,进一步提升了手性光场在光信息存储、大容量光通信以及多光谱光子成像等方面的潜在应用价值。


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