矢量光场的实时表征及偏振特性研究

【摘要】：自矢量光场出现以来,大量围绕矢量光场的基础和应用研究工作相继展开。特别是具有独特动力学和偏振分布特性的柱对称矢量光场,在激光微加工、高分辨成像和高维度量子通信等方面取得了重要的研究成果。近年来,马修、因斯以及抛物线等新型矢量光场的出现,为矢量光场注入了新的活力。这些种类丰富的矢量光场在全息光镊、微操控、光学传感和测量等领域具有巨大应用潜力。然而,矢量光场的稳定产生、按需调控及实时表征等技术仍是限制矢量光场在测量及动态传感等领域应用的主要因素。因此,本文以矢量光场表征方法为切入点,提出了基于斯托克斯参量及质量因子表征矢量光场的两种新技术,并利用该技术深入研究了新型的加速抛物线矢量光场的奇异偏振特性,为加速矢量光场在光镊、微操控等领域的应用奠定了基础。本文从矢量光场的稳定产生入手,提出了产生稳定矢量光场的基本要求,改进了一种稳定矢量光场的产生装置。在矢量光场产生和表征理论基础上,建立了产生任意矢量光场的理论模型。推导的矢量光场琼斯矩阵可为任意调控矢量光场偏振提供理论支撑。进一步设计了测试装置稳定性的方案,实验结果表明该产生装置具有较高的稳定性和抗干扰能力,可以用于对矢量光场稳定性要求较高的测量和传感等应用领域。在数字全息技术的基础上,提出基于数字微镜装置的波前分束方法,实现了矢量光场的偏振实时重建。该技术利用数字微镜装置的波长无关性及高刷新率的优点,将待表征矢量光束按能量等分为四束子光束。在此基础上,利用所设计的检偏光路完成了斯托克斯参量的实时测量,解决了以往测量过程中的能量不均匀、光斑形貌失配等问题。利用Q板(Q-plate)配合自动旋转的二分之一波片产生了偏振实时改变的矢量光场,证明了利用该技术能够实现矢量光场偏振的实时重建。进一步提出了利用矢量光场偏振的变化实时测量磷酸钛酸钾晶体(KTi OPO_4,KTP)温度的方案,实验结果与理论仿真吻合,为矢量光场偏振用于动态传感提供了技术支持。利用数字微镜装置对矢量光场进行空间模式解调,实现了矢量光场质量因子的实时测量。基于对空间自由度下偏振投影测量理论的系统分析,提出了12次测量缩减为8次测量的实施方案,利用数字微镜装置对空间模式解调后,通过设计的检偏装置,实现了利用探测器采集的单一图像直接进行矢量光场质量因子实时测量,达到了对矢量光场进行实时定量表征的目的。进而利用Q-Plate产生了高阶庞加莱球上具有代表意义的几种柱对称矢量光场,并对球上同一经线和同一纬线上各矢量模式进行了质量因子测量。该成果为基于手性分子研发的医药、食品及对映体材料等方面的实时检测提供重要参考。深入研究了具有奇异偏振特性的加速抛物线矢量光场。在理论推导标量加速抛物线光场解析解的基础上,提出了加速抛物线矢量光场的概念,实验产生了高阶庞加莱球体上不同模式的加速抛物线矢量光场,并利用斯托克斯参量对所产生的光场进行偏振表征。实验发现偏振分布与基矢空间模式|9)-9)~′|的奇偶性有关。针对这种现象,从相位角度给出了合理解释,在利用庞加莱球对任意矢量光场表征时,发现光场同一波阵面上的所有偏振态均分布在同一条经线上,且该经线在庞加莱球上的经度会随着矢量光场的模间相位变化而发生改变,但该奇异偏振特性不会随着矢量光场的质量因子改变而发生变化。最后实验证明了加速抛物线矢量光场也存在横向偏移特性,并且偏移量与矢量光场模式无关,且偏移过程中矢量光场的偏振状态保持恒定。该研究成果为新型加速矢量光场的探索及应用提供了理论和技术支撑。