矢量光束在光镊中的应用

【摘要】：激光技术自诞生以来迅猛发展,开拓了许多新的研究领域,在科学发展和技术创新中产生了巨大而深远的影响。要充分发挥激光的潜能,关键在于光场的调控。矢量光束着重于对激光的空域调控,主要研究具有空间变化的偏振的光场性质及其光物理效应。矢量光场的非均匀偏振分布对光场的空时演化及光场与物质相互作用有着重要影响,由此引发了诸多新颖的特性,成为当前科学前沿研究热点之一。在生物医学、超分辨成像、激光加速、微加工和光学微操纵等领域,矢量光束有着巨大的研究和应用价值。本论文以矢量光束及其在光镊中的应用为研究对象,详细调研和充分论述了其发展的过程、现状以及应用前景,讨论了矢量光场的生成和调控方法,研究了紧聚焦条件下矢量光场自旋角动量的分离及其对光镊动力学行为的影响,最后探讨了一种新型矢量无衍射光束的自聚焦行为。矢量光束从提出以来,各类相关研究工作中关于实验生成矢量光束的装置与方案不断创新,特别是液晶空间光调制器的应用让矢量光束的合成方法具有了很大的灵活性。我们提出了一种基于4f系统相干分解叠加生成新型矢量光束的方法,并从一维全息光栅发展到二维,实现了多自由度调控的矢量光场生成,并在加入二维全息光栅调制深度之后,能够实现振幅、位相和偏振分布全部可独立调控的全矢量光束。将矢量光束应用于光镊技术中,可以研究其聚焦场特性。介绍了光学微操纵的概念和发展现状,阐述了矢量光束和光镊技术相结合的研究意义,研究表明矢量涡旋光束在焦场中发生了自旋角动量的空间分离,并通过光镊实验,依据光阱中被捕获粒子的受力运动,充分验证了理论模拟结果。无衍射光束是一类特殊光束,其横向光强分布不随传播距离而变化。在无衍射光束中引入矢量性质,必然导致新型的光学效应。根据径向二分之三位相直接生成Airy光束的原理,和基于4f系统任意位相和偏振空间变化分布的矢量光束合成方法,我们生成了新型的自聚焦矢量涡旋光束,并研究发现其在自由空间传播时,伴随自聚焦过程同样存在自旋角动量分离的现象。