现代光学基础-光学教程(东南大学)4-矢量光束.pdf
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1矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用1矢量光场矢量光场顾兵顾兵东南大学先进光子学中心http:
/2矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用2主要内容主要内容一、光场的偏振态调控二、矢量光场的生成方法三、矢量光场的传播及焦场特性四、矢量光场的应用3矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用3一、光场的偏振态调控一、光场的偏振态调控4矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用标量光场标量光场线偏振光线偏振光圆偏振光圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光矢量光场?
矢量光场?
5矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用5在同一时刻同一波面上偏振态分布非均匀的光场在同一时刻同一波面上偏振态分布非均匀的光场在同一时刻同一波面上偏振态分布非均匀的光场矢量光场矢量光场径向偏振径向偏振旋向偏振旋向偏振非均匀偏振光场非均匀偏振光场空变偏振光场空变偏振光场复杂偏振复杂偏振Adv.Opt.Photon.1,1(2009).6矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用6研究矢量光场?
研究矢量光场?
空空空空域域域域光光光光场场场场频频频频域域域域时时时时域域域域频频率率波波长长脉脉冲冲宽度宽度/线型线型位位位位相相相相振振振振幅幅幅幅偏振态偏振态常规调控的手段主要涉及常规调控的手段主要涉及标量光场标量光场标量光场标量光场的振幅和位相等的振幅和位相等调控光传播行为有效途径之一:
采用以光子晶体为代表的人调控光传播行为有效途径之一:
采用以光子晶体为代表的人工微结构材料工微结构材料所关注的光场绝大多数为所关注的光场绝大多数为所关注的光场绝大多数为所关注的光场绝大多数为缺少空间结构缺少空间结构缺少空间结构缺少空间结构的的的的标量光场标量光场标量光场标量光场7矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用7矢量光场矢量光场OE7,77(2000)PRL106,123901(2011)PRL105,030407(2010)APL85,6239(2004)PRL102,183902(2009)矢量光场的应用矢量光场的应用焦场工程焦场工程表面等离激元表面等离激元光学微加工光学微加工近场探测近场探测量子光学与量子信息量子光学与量子信息8矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用8光场偏振态表述光场偏振态表述光场偏振态表述光场偏振态表述偏振椭圆偏振椭圆偏振椭圆偏振椭圆长轴方位角长轴方位角线偏振线偏振0右旋圆偏振右旋圆偏振1左旋圆偏振左旋圆偏振12222200002cossinyyxxxyxyEtEtEtEtEEEE00coscosxxxyyyEtEtkzEtEtkz椭圆度椭圆度00/yxEE9矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用光场偏振态表述光场偏振态表述光场偏振态表述光场偏振态表述StokesStokes参量参量参量参量*0*1*2*3xxyyxxyyxyyxxyyxSEEEESEEEESEEEESjEEEE实验可测量!
实验可测量!
实验可测量!
实验可测量!
偏振度偏振度2221/21230()/PSSSS完全偏振光完全偏振光1P部分偏振光部分偏振光01P非偏振光非偏振光0P例如:
例如:
水平线偏振光水平线偏振光1100S45o线偏振光线偏振光1010S左旋圆偏振光左旋圆偏振光1001S右旋圆偏振光右旋圆偏振光1001S10矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用10光场偏振态表述光场偏振态表述光场偏振态表述光场偏振态表述PoincarPoincar球球球球光场偏振态的几何表述光场偏振态的几何表述光场偏振态的几何表述光场偏振态的几何表述102030cos2cos2cos2sin2sin2SSSSSS*0*1*2*3xxyyxxyyxyyxxyyxSEEEESEEEESEEEESjEEEE11矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用光场偏振态表述光场偏振态表述光场偏振态表述光场偏振态表述JonesJones矢量矢量矢量矢量电场电场00xxjyyEEEEEe例如:
例如:
水平线偏振光水平线偏振光10J45o线偏振光线偏振光1112J左旋圆偏振光左旋圆偏振光112Ji右旋圆偏振光右旋圆偏振光112Ji评价:
评价:
JoneJones矢量表达简洁,但不s矢量表达简洁,但不能描述自然光和部分偏振光。
能描述自然光和部分偏振光。
Stokes参量用解析式描述光Stokes参量用解析式描述光的偏振态,但缺乏直观性;的偏振态,但缺乏直观性;Poincar球从几何角度描Poincar球从几何角度描述光的偏振态,具有直观述光的偏振态,具有直观性,弥补了以上两者之不性,弥补了以上两者之不足。
足。
12矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用径向和旋向偏振光径向和旋向偏振光径向和旋向偏振光径向和旋向偏振光旋转偏振器旋转偏振器偏振态偏振态分布分布圆柱波导模式圆柱波导模式径向偏振径向偏振旋向偏振旋向偏振Appl.Phys.Lett.20,266(1972)13矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用13Opt.Opt.LettLett.3232,3549,3549(2007)(2007)单模矢量光场单模矢量光场(旋向拓扑数旋向拓扑数m=1,不同的初相位不同的初相位j0)14矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用14高阶柱对称旋向变化矢量光场高阶柱对称旋向变化矢量光场高阶柱对称旋向变化矢量光场高阶柱对称旋向变化矢量光场15矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用15双模旋向变化矢量光场双模旋向变化矢量光场双模旋向变化矢量光场双模旋向变化矢量光场内模内模m=1和和j0=016矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用16内模内模m=1和和j0=017矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用17非整数阶矢量光场非整数阶矢量光场同一波阵面上四同一波阵面上四种不同矢量光场种不同矢量光场非整数阶矢量光场非整数阶矢量光场18矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用杂化偏振矢量光场杂化偏振矢量光场局域线偏振局域线偏振局域线偏振、椭圆偏局域线偏振、椭圆偏振、圆偏振振、圆偏振Opt.ExpressOpt.Express1818,10786,10786(2010)(2010)19矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用19径向变化矢量光场径向变化矢量光场0m002n/20矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用20径向变化矢量光场径向变化矢量光场02n/arXiv:
0912.5260(2009)arXiv:
0912.5260(2009)21矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用21旋向和径向同时变化矢量光场旋向和径向同时变化矢量光场Opt.Opt.LettLett.3636,3179(2011),3179(2011)22矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用22旋向或/和径向同时变化矢量光场旋向或/和径向同时变化矢量光场Opt.ExpressOpt.Express2020,21715(2012),21715(2012)23矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用23复杂图案的矢量光场复杂图案的矢量光场w:
/224矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用24复杂图案的矢量光场复杂图案的矢量光场三元汉字“明”三元汉字“明”二元太极图案二元太极图案25矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用25复杂图案的矢量光场复杂图案的矢量光场灰度图灰度图lena头像头像26矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用26第一节光场的偏振态调控第一节光场的偏振态调控第一节光场的偏振态调控第一节光场的偏振态调控矢量光场的概念矢量光场的概念研究矢量光场的意义研究矢量光场的意义光场偏振态表述光场偏振态表述偏振椭圆偏振椭圆Stokes参量参量Poincar球球Jones矢量矢量各种矢量光场(径向和旋向偏振光、高阶柱各种矢量光场(径向和旋向偏振光、高阶柱对称、双模旋向变化、非整数阶、杂化偏振、对称、双模旋向变化、非整数阶、杂化偏振、径向和/或旋向变化、复杂图案的矢量光场)径向和/或旋向变化、复杂图案的矢量光场)27矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用27二、矢量光束的生成技术二、矢量光束的生成技术28矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用28矢量光场的生成技术主动生成主动生成被动生成被动生成在激光谐振腔外,采用特殊设计的光学元件或者特殊的光学方法,将常规激光转化为矢量光场优点:
很强的灵活性缺点:
转换效率不高通过设计激光器的谐振腔,直接输出矢量光场激光,生成过程有激光增益介质参与优点:
可以获得很高效率的矢量光场缺点:
欠缺灵活性29矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用29双折射选模双折射选模主动生成主动生成主动生成主动生成Opt.Lett.31,2151(2006)简化了谐振腔结构简化了谐振腔结构主动生成的核心是矢量光场模式选择!
主动生成的核心是矢量光场模式选择!
Appl.Phys.Lett.20,266(1972)Adv.Opt.Photon.1,1(2009)红宝石激光器生成旋向偏振光谐振腔设计装置30矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用主动生成主动生成主动生成主动生成光的二向色性选模光的二向色性选模ProceedingsoftheIEEE60,1107(1972)Opt.Lett.30,3063(2005)锥形Brewster棱镜多层膜偏振光栅多层膜偏振光栅Opt.Lett.32,3272-3274(2007)31矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用主动生成主动生成主动生成主动生成Appl.Phys.Lett.93,191104(2008)光纤激光器光纤激光器Opt.Express16,10762(2008)光子晶体反射镜输出耦合器光子晶体反射镜输出耦合器32矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用32主动生成主动生成腔内模式合成腔内模式合成Appl.Phys.Lett.77,3322(2000)两个正交偏振的两个正交偏振的HG10模和模和HG01模可以相干叠加成为径向和旋向偏振光模可以相干叠加成为径向和旋向偏振光33矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用33径向偏振转换器径向偏振转换器被动生成被动生成被动生成被动生成Opt.Lett.21,1948(1996).偏振转换器偏振转换器(ARCoptix,Switzerland)34矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用34被动生成被动生成被动生成被动生成空变偏振器空变偏振器0joutEeEe00inxyjEjEejEeeee空变位相延迟器空变位相延迟器Adv.Opt.Photon.1,1(2009)Appl.Phys.Lett.89,251114(2006)双折射晶体双折射晶体光学二向色性材料光学二向色性材料半波片Opt.Express16,7295(2008)1/4波片Opt.Lett.33,95(2008)35矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用35亚波长光栅亚波长光栅被动生成被动生成被动生成被动生成Appl.Phys.Lett.79,1587(2001)Opt.Lett.27,1141(2002)Opt.Lett.29,238(2004)工作波长10.6mAppl.Phys.Lett.93,231106(2008)光纤光纤TE01旋向偏振光TM01径向偏振光36矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用干涉干涉被动生成被动生成被动生成被动生成NewJ.Phys.9,78(2007)基于空间光调制器的圆偏振合成生成矢量光场的干涉仪37矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用37被动生成被动生成被动生成被动生成Mach-Zehnder干涉干涉Opt.Commun.213,241(2002)38矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用38被动生成被动生成被动生成被动生成Sagnac干涉干涉Appl.Opt.45,8393(2006)基于Sagnac干涉仪的矢量光场激光谐振腔39矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用39被动生成被动生成被动生成被动生成梯形梯形Sagnac干涉干涉Opt.Express20,21715(2012).基于梯形Sagnac干涉仪的任意空间变化偏振光束40矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用基于4f系统任意矢量光场的生成将常规光场分成两部分携带空变位相通过两个不同路径实现正交的偏振态(利用波片)(正交线偏振或左右旋圆偏振)合成两部分进行重构(利用光栅)将常规光场将常规光场分成两部分分成两部分携带携带空变位相空变位相通过通过两个不同路径实现正交的偏振态两个不同路径实现正交的偏振态(利用波片)(利用波片)(正交线偏振正交线偏振或或左右旋圆偏振左右旋圆偏振)合成合成两部分进行重构两部分进行重构(利用光栅)(利用光栅)利用空间光调制器利用空间光调制器利用空间光调制器利用空间光调制器VectorVectorFieldField普通路径干涉普通路径干涉41矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用41生成原理生成原理01,cos222txyfxSLM径向偏振01expexp2xyEjAEEjj+1级-1级01expexp2xyEjAEEjj极坐标cossinEEE旋向偏振讨论:
讨论:
42矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用42第二节矢量光束的生成技术第二节矢量光束的生成技术主动生成主动生成主动生成主动生成被动生成被动生成被动生成被动生成双折射选模双折射选模双折射选模双折射选模光学二向色性选模光学二向色性选模光学二向色性选模光学二向色性选模多层膜偏振光栅多层膜偏振光栅多层膜偏振光栅多层膜偏振光栅光子晶体反射镜光子晶体反射镜光子晶体反射镜光子晶体反射镜光纤激光器光纤激光器光纤激光器光纤激光器腔内模式合成腔内模式合成腔内模式合成腔内模式合成空变偏振器空变偏振器空变偏振器空变偏振器空变位相延迟器空变位相延迟器空变位相延迟器空变位相延迟器亚波长光栅亚波长光栅亚波长光栅亚波长光栅光纤光纤光纤光纤干涉干涉干涉干涉矢量光场生成方法矢量光场生成方法43矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用43三、矢量光束的传播及焦场特性三、矢量光束的传播及焦场特性44矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场的旁轴聚焦矢量光场的旁轴聚焦矢量光场的旁轴聚焦矢量光场的旁轴聚焦均匀照明情况下任意柱状矢量光场的弱聚焦场均匀照明情况下任意柱状矢量光场的弱聚焦场B.Guetal.,Opt.Express20,149(2012).m=1m=2m=3m=0Polarizer焦场处焦场处过焦场过焦场m=1,z=f-2z0f+2z0旋向偏振变化的聚焦矢量光场属于一旋向偏振变化的聚焦矢量光场属于一类局域线偏振矢量光场,其场的偏振类局域线偏振矢量光场,其场的偏振分布在任何位置均保持不变。
分布在任何位置均保持不变。
45矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场的旁轴聚焦矢量光场的旁轴聚焦矢量光场的旁轴聚焦矢量光场的旁轴聚焦具有旋向偏振变化的本征拉格尔具有旋向偏振变化的本征拉格尔-高斯光束的弱聚焦场高斯光束的弱聚焦场B.GuandY.PCui,Opt.Express20,17684(2012).46矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场的非旁轴聚焦矢量光场的非旁轴聚焦矢量光场的非旁轴聚焦矢量光场的非旁轴聚焦具有旋向偏振变化的本征拉格尔具有旋向偏振变化的本征拉格尔-高斯光束的非旁轴聚焦高斯光束的非旁轴聚焦B.GuandY.PCui,Opt.Express20,17684(2012).47矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用对于径向偏振矢量光场,紧聚焦情况下可产生强的纵向非传播电场。
对于径向偏振矢量光场,紧聚焦情况下可产生强的纵向非传播电场。
zxE(a)zxE(b)矢量光场的紧聚焦特性矢量光场的紧聚焦特性矢量光场的紧聚焦特性矢量光场的紧聚焦特性对纵向场的直观解释对纵向场的直观解释紧聚焦(a)线偏振和紧聚焦(a)线偏振和(b)径向偏振矢量光场(b)径向偏振矢量光场磁场为零,波印廷矢量为零!
磁场为零,波印廷矢量为零!
矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用紧聚焦线偏振光束紧聚焦线偏振光束(a)具有和具有和(b)没有p没有p-位相板位相板zxE(b)zxE(a)phaseplate通过对一半线偏振光加p位相板,聚焦光束的横向和纵向场可以互换!
通过对一半线偏振光加p位相板,聚焦光束的横向和纵向场可以互换!
Opt.Lett.36,352(2011)焦斑束腰半径与数值孔径之间的关系焦斑束腰半径与数值孔径之间的关系4849矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用49矢量光场的紧聚焦特性聚焦场计算聚焦场计算,iEEEee00coscossin,cossincos2sinxyzEEjkfErzdPEEEeeeexpcossincossinjkzrdOpt.Express7,77(2000)Adv.Opt.Photon.1,1(2009)Richards-Wolf矢量衍射理论kezeseeyx(,)Ez50矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用径向偏振光场22001000,exp2iEEJe纵向场纵向场Opt.Express7,77(2000)10000cos,cossin0expcossinrzJErzkfdEljkzjJeee横向项xyzy纵向项xyzy51矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用51纵向场纵向场纵向和横向场之比纵向和横向场之比Phys.Rev.Lett.86,5251(2001)电场通过界面电场通过界面zr纵向项纵向项zr径向项径向项zr总光强总光强Opt.Express10,324(2002)均匀照明径向偏振光场均匀照明径向偏振光场52矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用52纵向场探测纵向场探测Phys.Rev.Lett.86,5251(2001)单分子荧光成像径向偏振光径向偏振光一般的高斯光一般的高斯光53矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用53纵向场探测纵向场探测Phys.Rev.Lett.91,233901(2003)刀口“近场”探测径向和旋向偏振光的焦场径向和旋向偏振光的焦场54矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用54纵向场探测纵向场探测Opt.Express13,6821(2005)扫描近场光学显微(NSOM)NA=1.6555矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用NA:
0.855纵向场探测纵向场探测Opt.Express15,3550(2007)光刻胶直接记录光场图样rI56矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用光针(OpticalNeedle)光针(OpticalNeedle)紧聚焦紧聚焦窄窄环状的径向偏振光束获得纵向光针环状的径向偏振光束获得纵向光针Opt.Express20,14891(2012).NaturePhoton.2,501(2008).用二元光学获得获得纵向光针用二元光学获得获得纵向光针NA:
0.9557矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用平顶焦场(Flat-topfocusing)平顶焦场(Flat-topfocusing)Opt.Express10,324(2002).调节初位相调节初位相ff0=24OApplicationsinlasermaterialprocessingandlaserprintingzrrIzrff0=0径向偏径向偏振光振光zrff0=90o旋向偏旋向偏振光振光58矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用58二维中空聚焦场二维中空聚焦场二维中空焦场Opt.Express7,77(2000)高阶柱对称矢量光场高阶柱对称矢量光场xyzyNA=1.32旋向偏振光旋向偏振光m=2m=3m=5NA=0.2xyxyxyNA=0.9xyxyxy59矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用59不同环带偏振光在焦点处相干相消生成光学围栏Opt.Lett.31,820(2006)三维光学围栏(Opticalbubble)三维光学围栏(Opticalbubble)Opt.Commun.279,229(2007)内外环反位相的径向偏振光与旋向偏振光相干叠加提高围栏质量60矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用Opt.Commun.282,3421(2009)单阶双模矢量光场实现均匀三维光学围栏三维光学围栏(Opticalbubble)三维光学围栏(Opticalbubble)10.08920.71161矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用61三维光链(Opticalchain)三维光链(Opticalchain)Opt.Lett.30,848(2005)DOE两同心区域的Gouy相移的差异而形成三维光链。
应用:
实现三维光学诱捕,沿光轴方向加速和输运粒子62矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用62第三章矢量光束的传播及焦场特性第三章矢量光束的传播及焦场特性矢量光场的旁轴和旁轴聚焦矢量光场的旁轴和旁轴聚焦矢量光场的紧聚焦特性矢量光场的紧聚焦特性二维中空聚焦光场二维中空聚焦光场纵向场纵向场纵向场探测纵向场探测光针光针平顶焦场平顶焦场三维光学围栏三维光学围栏三维光链三维光链63矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用63四、矢量光束的应用四、矢量光束的应用64矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用光学微加工光学微加工Phys.Rev.Lett.106,123901(2011).矢量光束生成及微加工装置矢量光束生成及微加工装置64径向和旋向矢量光场径向和旋向矢量光场飞秒脉冲纵向电场激光烧蚀熔融石英!
飞秒脉冲纵向电场激光烧蚀熔融石英!
NA=0.965矢量光场:
概念、生成、传播和应用矢量光场:
概念、生成、传播和应用65纳米裂纹垂直于局域线偏振场的方向!
纳米裂纹垂直于局域线偏振场的方向!
用飞秒脉冲矢量光场在单晶硅片上感应二维微结构用飞秒脉冲矢量光场在单晶硅片上感应二维微结构Opt.Express20,120(2010).
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- 现代 光学 基础 教程 东南大学 矢量 光束