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结构光场的传输特性及其应用

钱朝阳  
【摘要】:光是一种电磁波,以麦克斯韦方程为基础的经典电磁场理论可以用来解决光的衍射、传输等问题。虽然目前来说,光场标量衍射理论对于大多数光学传输的实际问题仍然有效,但是伴随着近场理论光学的逐渐完善与发展,标量近似的光学理论本身的不自洽矛盾越来越突出,尤其是近年来,随着半导体二极管激光器、微腔激光器、微光学、近场光学和光子晶体等的迅速发展,实际工作中也需要用较为严格的矢量理论来处理一些应用领域的近场光场特性。本文主要研究与传统标量场区别的矢量光场,即在光场的横截面的偏振态分布是不一致的光场。本文的研究方法是基于电磁波的矢量衍射理论。首先通过矢量衍射理论的角谱分析法和近似法分析了艾里光束的矢量结构特征和偏振态沿径向变化的圆柱型矢量光场在自由空间的传输特性,通过理论计算以及数值计算给出了整个衍射空间的精确矢量解,并且分别分析了其在自由空间的传输特性。主要研究内容分为以下三个部分进行说明:1.利用矢量角谱法和近似法推导、分析电磁场不同分量传输的解析表达式。以Airy光束(艾里光束)为研究对象,研究艾里光束的矢量结构特征,发现艾里光束的横向能量流密度与纵向能量流密度之比随着传播距离的增大而增大的。在菲涅尔衍射区域,TM(横磁模)分量的能量流密度与TE(横电模)分量能量流的比值随着传播距离的增加而逐渐增加,这个比值由λ和横向分量尺寸大小x0决定。该光场的矢量结构特征从艾里光束的传播动力学的物理图像给予进一步进行阐述和分析,这些结果可以为艾里光束在相应领域的潜在应用提供理论依据和基础,如纳米光子学、紧聚焦光场等。2.基于角谱法分析了偏振态沿径向变化的圆柱矢量光场的近场特性。其倏逝波和行波的矢量结构提供了一个直观的图像来描述该矢量光场在近场的特征。其中详细分析了纵向分量对总光场分布的影响以及对光自旋角动量(SAM)的密度影响。经过数值计算发现,具有不同偏振拓扑核的矢量光场的倏逝波和行波的光场分布结构是不同的,并且与光场横截面的初始偏振态分布密切相关。纵向分量的存在,对光学自旋角动量密度的影响,导致了自旋角动量密度的一个矢量分布结构。该研究成果为如何通过在光场横截面上选择适当的偏振态分布,在近场空间操纵矢量光场的光场分布和角动量密度提供非常有用的信息。3.利用USB3.0外设控制器设计了一种图像采集设备的固件,开发光场的数据采集、成像设备,期望最终实现能够利用矢量光束进行数据采集和成像,进一步研究矢量光束的潜在应用。


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