轴对称矢量光束的聚焦整形开题报告

全文总字数：3729字

1. 研究目的与意义（文献综述）

光的偏振性是光的重要特性之一，光学领域内对于光束偏振的研究一般集中于传统的均匀偏振光束，即光场内任意位置对应的偏振态相同（例如：线偏光，圆偏光，及包含自然光的随机偏振）。而轴对称矢量光束对比传统光束的区别在于其偏振方向在垂直于传播方向的横截面上呈现非均匀偏振分布。近年来，大量科研工作者对轴对称矢量光束的特性、产生方式及聚焦特性进行了深入研究。研究发现，与空间均匀光束相比，轴对称矢量光束有很多显著特性，使得其在电子加速、离子俘获、生物光镊、光学存储、高分辨率显微技术及工业激光加工领域中具有重要应用。

关于轴对称偏振光束的研究可以追溯到1972年，d.pohl在红宝石激光器中利用模式选择器获得了纯横电场模式te01。同年，y.mushiake等人利用特殊设计的锥形模式选择器在 he-ne 激光器中获得了径向偏振光，这是利用激光振荡方式首次实验获得径向偏振光束。在以后的科学实验中，利用这种在激光器中内置光学元件的思想，人们找到了许多产生矢量偏振光束的途径，例如，k.yone.zawa等人利用双折射的c切向nd:yvo4晶体获得径向偏振光束，g.machavariani等人则通过对径向偏振或角向偏振激光束的双聚焦选择实现了诱导双折射，最终获得了径向偏振光输出。j.f.bisson等人将一个圆锥形的透镜内置在钕激光器中产生了径向偏振光束，y.kozawa和sato在 nd:yag激光器中内置一圆锥布儒斯特棱镜，产生了径向偏振光束。1996 年，m.stalder和m.schadt拓展了柱矢量光束的概念。光束在横截面上任意一点（中心点除外）的偏振态为线偏振，偏振方位与该点对应的空间方位角有关。2001年gori基于琼斯矢量提出了一类非均匀偏振光束，它不同于传统的均匀偏振光束，轴对称偏振光束是非均匀偏振光束的一种特殊情况，因其更大的应用价值受到人们的重视。2003年dorn等人第一次从实验方面证实了径向偏振光束经高数值孔径透镜聚焦后能够突破衍射极限，聚焦处的光斑尺寸比线偏振光的聚焦光斑尺寸小很多，而且在焦点处径向偏光束的电场纵向分量的强度比它的电场横向分量的强度大很多。关于径向偏振光及其他轴对称偏振光束的研究越来越广泛和深入，并在近十年逐渐成为光学领域的研究热点。

近年来，我国在轴对称矢量光束的研究中也有很大的进展。中国科学院上海光学精密机械研究所李建郎研究员的课题组于2007年从掺镱光纤激光器中获得高偏振纯度和高轴对称性的径向偏振激光输出，并于2014 年在新型固体激光器研究中，同时实现了具有矢量偏振和螺旋相位的激光光束输出。2012年，北京信息科技大学光电信息与仪器北京市工程研究中心、北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院惯性技术重点实验室、清华大学精密仪器与机械学系精密测控技术及仪器国家重点实验室共同提出了一种将猫眼腔氦氖激光器与马赫-曾德尔干涉仪相结合、通过模式叠加生成多种轴对称线偏振矢量光束的新方法。2016年，北京信息科技大学光电测试技术北京市重点实验室研究了基于stokes参量法测量矢量光束偏振态的方法。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容：分析轴对称矢量光束形成的基本原理，基于矢量衍射理论，推导轴对称偏振光束在自由空间的聚焦场的数学表达式，理解轴对称偏振光束进行聚焦整形的基本概念，利用衍射光学元件（doe）实现轴对称偏振光束聚焦整形。利用matlab进行仿真，建立系统模型，针对一些特定的需求，研究几种典型的聚焦场分布。

目标：分析轴对称矢量光束形成的基本原理及其应用前景。建立轴对称矢量光束聚焦整形的理论模型。研究轴对称矢量光束的聚焦整形。

拟采用的技术方案及措施：以b.richards和e.wolf 的矢量衍射理论体系为基础，分析轴对称偏振光束聚焦特性。在正弦条件下，利用光瞳切趾函数推导出聚焦平面附近不同聚焦分量及总聚焦场的振幅及强度分布的数值计算公式，利用基本的三角函数关系式和贝塞尔函数，理论推导出径向偏振光聚焦场和切向偏振光聚焦场的情况。建立聚焦整形系统模型，衍射光学元件（doe）放置于聚焦系统入瞳处，在给定入射场及系统结构的基础上，根据要求的聚焦场分布来确定doe的振幅透过率，从而确定doe的结构。当doe的衍射特征尺寸为波长量级或亚波长量级时，采用环形结构，用透过率函数代表其对通过doe光场的调整作用，而计算光场聚焦场时依然考虑光束的偏振特性。利用matlab绘制出径向偏振光及切向偏振光在焦平面及其附近的聚焦场强度分布，根据不同系统的不同要求，确定不同评价函数，优化doe的结构参数，设计实现平顶聚焦光场、超小光斑及长焦深结构、“光链”结构和衍射超分辨聚焦。

3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需的理论知识、技术要求以及相关资料。确定方案，完成开题报告。

第4-8周：分析基本原理，进行理论推导。

第9-12周：建立模型，进行仿真模拟，得到模拟结果，整理数据，进行理论分析，开始撰写毕业论文。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 炳琨，高以智，陈倜嵘等. 激光原理[m]. 北京：国防工业出版社，2009.

[2] 周哲海. 轴对称偏振光束的生成、特性及应用[d]. 北京：清华大学图书馆，2010.

[3] 贾信庭. 轴对称偏振光束特性的研究[d]. 武汉：华中科技大学，2011.