径向偏振光的聚焦特性(毕设论文).doc

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郑州大学毕业设计（论文）

题目：

径向偏振光的聚焦特性

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摘要 II

关键字 II

Abstract III

第一章引言 1

1.1径向偏振光的基本特征 1

1.2径向偏振光的产生 2

1.2.1谐振腔的尾镜使用W锥形反射元件的方法 3

1.2.2在腔内利用轴对称的激活介质产生径向偏振光 4

1.2.3在腔内使用光子晶体光栅产生径向偏振光 4

1.2.4采用相位补偿片的方法（腔外法） 5

1.3本章小结 6

第二章矢量衍射理论 7

2.1切趾函数 7

2.2正弦条件 9

2.3亥姆赫兹条件 9

2.4Richards-Wolf矢量衍射理论 10

第三章径向偏振光的聚焦特性 15

3.1轴对称矢量光的紧聚焦 15

3.2径向偏振光的表示 16

3.3径向偏振光的聚焦及分析 17

第四章径向偏振光的应用 18

4.1在光镊系统中的应用 18

4.2应用于光学显微 19

4.3在金属切割中的应用 20

第五章结论 23

致谢 25

参考文献 26

摘要

径向偏振光是光的一种，它具有特殊的空间偏振分布形式，因此具有跟其他光束明显不同的性质，比如聚焦特性。

研究径向偏振光的这些性质需要应用到矢量衍射理论，标量衍射理论已不能够很好地描述它的这些性质。

特殊的空间偏振分布导致其聚焦过程不再完美的适应于标量衍射理论。

而是需要在一定条件下做近似处理，这就是后面所说的Richards-Wolf矢量衍射理论。

径向偏振光的聚焦特性独特的地方表现在它经过高数值孔径透镜聚焦后，纵向分量得到增强，横向分量减弱，还有环状光束模式存在轴上零点。

它的这些特殊的性质，可以应用到

很多方面比如光镊系统，金属切割，显微暗场成像等，在这些应用中径向偏振光起着不可替代的作用。

同时对于更加方便，高质量，高纯度的产生径向偏振光的方法也成为了这几年研究的热点，更多更新奇有效的方法也在不断的出现。

关键字：

径向偏振光束，矢量衍射理论，紧聚焦，聚焦特性

Abstract

Radialpolarizedlightisakindoflight,ithasspecialspacepolarizationdistributionform,soitiswithotherbeamsignificantlydifferentproperties,suchasfocusingonfeatures.Studythenatureoftheradialpolarizedlightneedtoapplytothevectordiffractiontheory,thetheoryofscalardiffractionhasthesepropertiesofcan'tdescribeitwell.Specialspacepolarizationdistributionintheprocessfocusisnolongerperfectlyadaptedtothescalardiffractiontheory.Butneedtodotheapproximateprocessingundercertainconditions,itissaidRichards-Wolfbehindthevectordiffractiontheory.Radialpolarizedfocusingcharacteristicsoftheuniquelocalperformanceafteritpassesthroughahighnumericalaperturelensfocused,longitudinalcomponentenhanced,transversecomponentisabate,andringbeampatterninzeropointontheaxis.Thesespecialproperties,canbeappliedtomanyaspectssuchasopticaltweezerssystem,metalcutting,thedarkfieldimagingandsoon,intheapplicationofradialpolarizedlightplaysanirreplaceablerole.Atthesametimeformoreconvenient,highquality,highpuritymethodofradialpolarizedlighthasbecomearesearchhotspotinrecentyears,moreandmorenovelandeffectivemethodhasbeenappeared.

Keywords:

radialpolarizedbeams,thevectordiffractiontheory,focus,focusonfeatures

I

第一章引言

偏振是光的一种基本的物理特性。

根据偏振特性的差异，我们可以把光分为均匀偏振光和非均匀偏振光两大类。

均匀偏振光比如我们常见的线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光等，他们的共同特点是：

在垂直于光轴的截平面上，偏振态不随空间位置的变化而发生改变。

一直以来人们专注于均匀偏振光的研究，过去的几十年中，对均匀偏振光的性质研究比较透彻，以及它的应用方面也得到很大的发展。

但是，由于理论的缺陷和技术手段的落后，对于非均匀偏振光偏振光的研究却较为滞后。

直到近年来，非均匀偏振光才开始引起了人们较多的关注。

非均匀偏振光束的光场分布以及偏振态分布都呈现出柱对称的分布形式。

其中，最特殊的两类偏振方式就是径向偏振和角向偏振。

以下将主要就径向偏振光展开分析。

1.1径向偏振光的基本特征

径向偏振光束和角向偏振光束在空间中每一点的振动方向均与半径方向成角，如图1.1所示。

它们在空间柱坐标中某点处的电场分布为：

上式中代表该点沿半径方向上的单位矢量，是对应角向单位矢量，代表孔径切趾函数，标称电场的相对振幅，并且电场的相对振幅与径向有关。

图1.1矢量偏振光束一般形式

当时，表示角向偏振光束，如图1.2（a）所示；当时，表示径向偏振光束，如图1.2（b）所示。

（a）（b）

图1.2矢量偏振光束截面图

（a）角向偏振光束；（b）径向偏振光束

径向偏振光束沿光轴方向电场分布是轴对称的，其光束为中空的圆环型环形光束模式属于激光光束传输模式的一种。

与常见的基模高斯光束不同，径向偏振光环形光束模式的偏振空间分布形式是完全沿径向的,由于相对于光轴两端的电场矢量方向是恰好相反的（即有π的相位差），所以它的环形光束模式的光强分布具有轴上零点且光强最大值出现在环绕光轴的一圈。

径向偏振（包括角向偏振）是偏振的本征态，相应光束在c切向晶体中传播时，不会发生串扰现象。

随着人们对径向偏振光认识的不断深入它将在更多的领域得到应用，关于径向偏振光的产生方法也受到了人们越来越多的关注。

1.2径向偏振光的产生

1972年，来自于日本Tohoku大学的Y.Mushiake等研究人员首次在实验中获得径向偏振光[1]。

他们采用的方法是通过在氦氖激光器中加入圆锥电介质元件，可选择性的降低非径向偏振分量的强度，保留径向偏振分量不变，从而通过激光器输出径向偏振光。

径向偏振光从被发现到现在已有40多年，但人们对它的了解由于设备局限性有所限制。

最近几年，人们开始发现径向偏振光特别的性质与用途，便开始积极地寻找有效的方法来制备它。

比如2007年，德国斯图加特大学的M.A.Ahmed等人曾在激光器谐振腔内，利用多层介质膜组成的圆形谐振光栅尾镜，从而获得了径向偏振光输出[2]。

2008年，日本Tokai大学物理系的MasamoriEndo采用了一种特别的激光谐振腔（W锥形反射元件作为尾镜的谐振腔）来产生径向偏振光束等等[3]。

就目前来说，生成径向偏振光的方法有很多，不过综合一下不外乎两种方法：

1.腔内法，就是将具有某些特性的光学元器件加入激光器的谐振腔中，来输出径向偏振光；2.腔外法，就是在腔外添加具有某些特性的元器件或装置。

例如谐振腔的尾镜使用W锥形反射元件的方法、在腔内利用轴对称的激活介质产生径向偏振光和在腔内使用光子晶体光栅产生径向偏振光等的方法都是利用腔内法。

同样也有很多方法是属于腔外法，比如采用相位补偿片的方法等等，下文将一一介绍提到的几种方法。

1.2.1谐振腔的尾镜使用W锥形反射元件的方法

日本Tokai大学物理系的MasamoriEndo等研究人员在2008年采用了一种新的激光谐振腔（如图1.3）来产生径向偏振光束。

实验装置主体部件是一台1KW的连续型激光器。

激光器的尾镜他们将一种W型锥形镜装到激光器上作为谐振腔的尾镜，它的表面镀有一层偏振敏感介质反射膜，这种膜对径向偏振光中p波（径向偏振分量）和s波（环向偏振分量）的反射率是不同的。

根据实验实测数据可知：

当谐振腔后镜所镀介质膜对p波和s波的反射率之差为1%时，激光器便具有很好的偏振选择性能[3]。

而其输出的激光功率与用标准的圆形镜作为谐振腔后镜时相同。

（1）

（2）

图1.3

（1）激光器光腔结构示意图

（2）光束在W锥形镜和圆锥形镜之间传播示意图

谐振腔的尾镜由W锥形镜和圆锥形镜组成，进入反射镜后镜的光束先在W锥形镜中心锥面上第一次反射，接着光束传输到W锥形镜外环区域，在锥面上进行第二次反射。

第二次反射后光束进入圆锥形镜，在圆锥形镜中进行两次反射，光束重新回到W锥形镜中。

然后在W锥形镜中逆着最初入射的光路返回。

由于光束先后进行了六次镜面反射，而且由于环向偏振损耗较径向偏振的大，因此环向偏振得到削弱而径向偏振保持较高的比例，导致谐振腔内径向偏振光被迫谐振。

通过适当的选择反射镜位置及W锥形镜和圆锥形镜表面反射系数（要求径向偏振分量反射系数大于环向偏振分量反射系数），可以使径向偏振光单模谐振，从而输出径向偏振光。

1.2.2在腔内利用轴对称的激活介质产生径向偏振光

在激光光腔内放置一块轴对称的光抽运介质，当光束入射到这种介质上时会发生双折射现象，导致光束产生特殊的物理效应，从而分离出所需的径向偏振光。

具体的说就是，这种特殊的物理效应会导致热透镜相对于两种不同偏振光的焦距有所不同，于是它们的稳定范围也不一致，因此可以选择合适的稳定性范围将两种偏振光分离开