基于光学天线的矢量光场的聚焦与调控

【摘要】：光作为信息的载体,其基本性质中的频率、振幅、相位早己被深入研究并在各个领域得到广泛应用,近些年,光的偏振特性及对偏振态的调控成为研究热点。矢量光场因具有特殊的空间演化偏振态而受到关注,它的聚焦与调控特性在光学微加工、粒子捕捉、光学储存以及光学显微等领域有着潜在的应用。本文研究了矢量光场在大数值孔径下的聚焦特性,并设计了一种离散型复振幅光瞳滤波器来实现矢量光场的相位、振幅及偏振态的调控。首先,基于电-磁偶极天线的反向辐射场构建理论与Richards-Wolf矢量积分衍射理论,通过设计偶极子阵列结构,反向推演出光瞳面上入射光场的分布模式。根据期望场的特性,通过对偶极子阵列的初始相位差、振幅比、间距及辐射场进行调控和优化,可灵活的操控光链结构。经满足正弦条件的大数值孔径透镜聚焦后,在焦点附近获得了一个三维“光链”聚焦场。与之前的聚焦场相比,这个三维“光链”能够同时捕捉多个粒子,这种偶极子聚焦场在粒子捕捉、传送及自组装等方面有着潜在的应用。其次,根据狭槽天线与线偏振片的相似性,设计了刻蚀有多个不同方向狭槽天线环形阵列的超表面,作为离散型复振幅光瞳滤波器使用,可以用来实现特殊的聚焦矢量光场。狭槽天线具有局域调控入射光场振幅和相位的特性,各个环带上具有各自特定的透射率,同时具有特定的二元相移(0/π)分布。以径向偏振入射光为例,经该滤波器并经大数值孔径透镜紧聚焦后,可获得衍射受限的超长三维光管场。这种结构的超表面对矢量光场的产生与调控提供了新途径。