新型矢量光场调控:简介、进展与应用

潘岳; 丁剑平; 王慧田

doi:doi:10.3788/AOS201939.0126001

光学学报, 2019, 39 (1): 0126001, 网络出版: 2019-05-10

新型矢量光场调控:简介、进展与应用下载： 1977次特邀综述

Manipulation on Novel Vector Optical Fields: Introduction, Advances and Applications

论文大纲

潘岳 ^1,3,*丁剑平 ²王慧田 ^1,2,*

作者单位

¹ 南开大学物理科学学院,弱光非线性光子学教育部重点实验室, 天津 300071

² 南京大学固体微结构物理国家重点实验室,人工微结构科学与技术协同创新中心, 江苏南京 210093

³ 曲阜师范大学物理工程学院,山东省激光偏光与信息技术重点实验室, 山东曲阜 273165

物理光学偏振态矢量光场光场调控庞加莱球奇点 physical optics polarization vector optical field manipulation on optical field Poincare sphere singularity

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摘要

作为光的一个基本属性,偏振态提供的自由度对光场调控具有重要作用。具有空间结构偏振态分布的矢量光场因其具有不同于传统标量光场的独特性质而被应用于诸多领域,但矢量光场的早期研究主要集中于柱对称的局域线偏振矢量光场。近年来,偏振态分布更加丰富的新型矢量光场逐渐得到关注,这些新型矢量光场的出现丰富了矢量光场的种类并提供了新的调控自由度,被应用于焦场调控、光学微加工、光学微操纵和光信息传输等领域。综述了近年来出现的新型矢量光场,包括柱坐标系中的杂化偏振矢量光场、庞加莱球相关的矢量光场、阵列矢量光场、多奇点矢量光场和其他非柱对称的矢量光场,介绍了其进展、设计方案、实验生成、性质和相关应用。

Abstract

Polarization, as an intrinsic nature of light, is certainly of great importance to serve as a degree of freedom for manipulating light. The vector optical fields with inhomogeneous polarization distribution have been applied in many areas due to the unique feature with respect to the traditional scalar optical fields. However, the early study of vector optical fields mainly focused on the local linearly polarized vector optical fields with cylindrical symmetry. In recent years, novel vector optical fields with various polarization distributions have attracted significant interest. These new vector optical fields have not only enriched the family of the vector optical fields, but also provided new degrees of manipulation freedom. As a result, these new vector optical fields have been applied in realms such as manipulation of focal fields, optical micro-machining, optical micro-manipulation, and optical information transmission. In this paper, we present an overview of the recently appearing new kinds of vector optical fields, including hybridly polarized vector optical fields in cylindrical coordinates, vector optical fields associated with Poincare sphere, array vector optical fields, vector optical fields with multiple polarization singularities, and other vector optical fields without cylindrical symmetry. The advances, design scheme, experimental generation, properties and related applications of these vector optical fields have been presented.

1 引言

随着科学研究的深入和科学技术的发展,激光已经被广泛应用于**、工业和医疗等领域,因此灵活地调控激光以获得更加丰富的光场成为非常紧迫的需求。作为光的基本属性,偏振态提供的自由度对光场调控具有重要作用。光的偏振态可以用具有方向的矢量来表示,因此同一时刻在同一波阵面上的不同位置具有不同偏振态的光场被称为矢量光场,与之对应的波面上不同位置具有同样偏振态的光场被称为标量光场。1961年,Snitzer^[1]从理论上提出了矢量光场的基本概念。1972年,两个不同的研究组生成了两种最为经典的矢量光场:径向偏振矢量光场(简称径向场)和旋向偏振矢量光场(简称旋向场)^[2-3]。这两种典型矢量光场在波面上不同位置的偏振态都是线偏振,而且偏振方向分别沿径向和旋向。柱对称的局域线偏振矢量光场是在柱坐标系中构造的、偏振态分布仅包含线偏振的矢量光场,而径向场和旋向场是其中的两个典型特例。早期矢量光场的研究进展缓慢,相关研究主要集中在简单矢量光场的实验生成^[2-9]以及矢量光场的部分基础理论^[10-13]。这期间矢量光场的重要性并没有引起足够多的关注,相关应用也没有得到充分挖掘。直到2000年,Youngworth等^[14]研究了径向场和旋向场的紧聚焦性质,他们根据Richards和Wolf^[15]提出的矢量衍射理论进行计算,发现径向场紧聚焦可以得到强纵向电场,而旋向场紧聚焦可以得到强纵向磁场。这项研究首次发掘了矢量光场在紧聚焦领域的优良性质,使得矢量光场的研究热度迅速升高。此后,研究者进一步研究了柱对称的局域线偏振矢量光场在紧聚焦方面的性质,研究成果包括远场的光学超衍射极限^[4,16-17]、具有极长焦深的纵向场^[18]、光学牢笼^[19-20]和光学锁链^[21]等。相比于传统的标量光场,柱对称的局域线偏振矢量光场在包括紧聚焦在内的各个领域都被开发出了诸多应用,包括量子信息^[22]、粒子加速^[23]、单分子成像^[24]、非线性光学^[25]、光学微加工^[26-27]以及光镊和光学微操纵^[28-29]等领域的应用。

近年来,随着矢量光场的深入研究和广泛应用,研究者的目光不再局限于柱对称的局域线偏振矢量光场。首先被打破的是局域线偏振态分布,研究者在柱坐标系中得到了包含线偏振、圆偏振和椭圆偏振的杂化偏振矢量光场^[30-31]。庞加莱球作为偏振态的常用表征方式,也被充分应用于新型矢量光场的设计,研究者得到了全庞加莱矢量光场^[32-33],高阶庞加莱球^[34]、杂化阶庞加莱球^[35]和广义庞加莱球^[36]上的矢量光场。当单个矢量光场得到了充分研究后,多个矢量光场按照一定规律排列得到的阵列矢量光场在焦场调控等领域获得了关注^[37-40]。传统的矢量光场往往只在中心位置有一个偏振奇点,随着奇点研究的深入,研究者设计、生成并研究了具有不同数量和位置的多个奇点的矢量光场^[41-43]。另外,坐标系中的非柱对称矢量光场^[44-47]、焦面上的新型矢量光场^[48-49]和其他复杂偏振的矢量光场^[50-51]也都得到了充分研究。这些新型矢量光场被应用于焦场调控^{[31,39,43-51]}、光学微加工^[37-38,47]、光学微操纵^[40]、光学存储^[44,46,50]和光信息传输^[40]等领域,为矢量光场的设计提供了新的调控自由度,为光场调控领域注入了新的活力。

2 柱坐标系中的杂化偏振矢量光场

传统的局域线偏振矢量光场的波面上只有不同方向的线偏振态,而线偏振态只是偏振态的一种特殊情况,更为普遍的椭圆偏振态和特殊的圆偏振态并未在这种矢量光场的设计和应用中体现其作用。为了打破局域线偏振分布的限制,研究者在柱坐标系中设计并生成了一种包含多种偏振态的杂化偏振矢量光场。

2.1 旋向变化的杂化偏振矢量光场

庞加莱球是表示偏振态的常用工具,庞加莱球上一点(2ϕ, 2α)处(2α为纬度值,2ϕ为经度值)的偏振态矢量P可以表示为

\begin{matrix} \begin{matrix} P = & \sin (α + \frac{π}{4}) \exp (- iϕ) {\hat{e}}_{r} + \cos (α + \frac{π}{4}) \exp (iϕ) {\hat{e}}_{l}, (1) \end{matrix} \end{matrix}

式中:{ $\begin{matrix} {\hat{e}}_{r} \end{matrix}$ , $\begin{matrix} {\hat{e}}_{l} \end{matrix}$ }为左右旋圆偏振基矢,满足 $\begin{matrix} {\hat{e}}_{r} \end{matrix}$ =( $\begin{matrix} {\hat{e}}_{x} \end{matrix}$ + $\begin{matrix} {\hat{ie}}_{y} \end{matrix}$ )/ $\begin{matrix} \sqrt[]{2} \end{matrix}$ 和 $\begin{matrix} {\hat{e}}_{l} \end{matrix}$ =( $\begin{matrix} {\hat{e}}_{x} \end{matrix}$ - $\begin{matrix} {\hat{ie}}_{y} \end{matrix}$ )/ $\begin{matrix} \sqrt[]{2} \end{matrix}$ 。庞加莱球及其偏振态分布如图1所示,其中S₁、S₂、S₃为斯托克斯参量;纬度值2α代表南北极左右旋圆偏振基矢合成时的振幅比例,控制偏振态的椭偏率和手性;经度值2ϕ代表左右旋圆偏振基矢的相位差,控制偏振态的长轴取向。因此,沿着同一条经线上的点代表椭偏率和手性变化的偏振态,而沿同一条纬线上的点是长轴取向变化的偏振态。

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1 引言

2 柱坐标系中的杂化偏振矢量光场

2.1 旋向变化的杂化偏振矢量光场

图 1. (a)庞加莱球及(b)球上的偏振态分布[30]

Fig. 1. (a) Poincare sphere and (b) the distribution of polarization on the sphere[30]

图 2. 杂化偏振矢量光场与径向偏振矢量光场的对比[30]。(a)杂化偏振矢量光场;(b)径向偏振矢量光场

Fig. 2. Comparison of hybridly polarized and radially polarized vector optical fields[30]. (a) Hybridly polarized vector optical field; (b) radially polarized vector optical field

图 3. 杂化偏振矢量光场和径向偏振矢量光场的强度分布[30]

Fig. 3. Intensity distribution of hybridly polarized vector optical field and radially polarized vector optical field[30]

图 4. 利用光轴取向为45°和0°的1/4波片得到的旋向变化杂化偏振矢量光场[31]。(a)(b)偏振态分布;(c)(d)强度分布

Fig. 4. Distributions of (a)(b) polarization and (c)(d) intensity pattern of the azimuthally varying hybridly polarized vector optical fields with 45° and 0° quarter wave plate, respectively[31]

图 5. 旋向变化的杂化偏振矢量光场成丝的数值模拟[55]

Fig. 5. Simulated collapsing patterns of the azimuthally varying hybridly polarized vector optical fields[55]

图 6. 椭偏率空间变化的矢量光场的强度和偏振态分布[56]

Fig. 6. Distribution of intensity and polarization of ellipticity-variant vector optical fields[56]

2.2 径向变化的杂化偏振矢量光场

图 7. 径向变化的杂化偏振矢量光场的偏振态分布示意图、强度和斯托克斯参量实验结果[70]

Fig. 7. Simulated distribution of polarization, measured intensity patterns and Stokes parameters of radially variant vector optical field with hybrid state of polarization[70]

图 8. 径向变化的杂化偏振矢量光场聚焦后被用于驱动微粒运动[70]

Fig. 8. Snapshots of the motion of trapped particles around the ring focus generated by radially variant vector optical fields with hybrid state of polarization[70]

3 庞加莱球与新型矢量光场

3.1 全庞加莱球场

图 9. 全庞加莱球矢量光场[32]

Fig. 9. Full Poincare sphere vector optical fields[32]

图 10. 杂化庞加莱球[75]

Fig. 10. Hybrid Poincare sphere[75]

3.2 高阶庞加莱球上的矢量光场

图 11. 全庞加莱球矢量光场产生二次谐波[77]。(a)基频全庞加莱球矢量光场的强度和偏振态分布;(b)二次谐波理论强度分布;(c)实验产生的二次谐波的强度分布

图 12. 拓扑荷为±1的高阶庞加莱球[34]

Fig. 12. Higher-order Poincare sphere representation for the ±1 topological charges[34]

图 13. 高阶庞加莱球上矢量光场的偏振态和强度分布[80]

Fig. 13. Polarization and intensity distributions of the vector optical fields on the higher-order Poincare sphere[80]

3.3 杂化阶庞加莱球和广义庞加莱球上的矢量光场

图 14. 杂化阶庞加莱球[35]。(a)~(c)点A、B、C处光场的相位分布;(d)~(f)对应的强度和偏振态分布

Fig. 14. Hybrid-order Poincare sphere[35]. (a)-(c) Phases for optical fields at points A, B, and C, respectively; (d)-(f) corresponding intensity and polarization distributions

图 15. 广义庞加莱球[36]

Fig. 15. Generalized Poincare sphere[36]

图 16. 携带OAM的广义庞加莱球上的矢量光场[84]

Fig. 16. Vector optical fields on generalized Poincare sphere carrying OAM[84]

4 阵列矢量光场

4.1 阵列矢量光场

图 17. 包含7个矢量光场“基元”的阵列矢量光场及其弱聚焦情况[37]。(a)(b)径向场和旋向场作为“基元”构成的阵列矢量光场;(c)~(e)阵列矢量光场的“基元”、“点阵”和总场的弱聚焦场;(f)弱聚焦场在硅表面烧蚀的SEM图像

图 18. 由旋向矢量光场“基元”构成的阵列矢量光场和利用其紧聚焦场进行微加工的SEM图像[38]。(a)~(e)阵列矢量光场的总强度;(f)~(j)阵列矢量光场的x分量强度;(k)~(o)阵列矢量光场的紧聚焦场在硅表面烧蚀的SEM图像

图 19. 具有空间变化参数的分形光场[39]。(a)振幅;(b)相位;(c)偏振;(d)振幅-相位;(e)相位-偏振;(f)振幅-偏振;(g)振幅-相位-偏振

Fig. 19. Fractal optical fields with the space-variant parameters[39]. (a) Amplitude-only; (b) phase-only; (c) polarization-only; (d) amplitude-phase; (e) phase-polarization; (f) amplitude-polarization; (g) amplitude-phase-polarization

4.2 焦面上的阵列矢量光场

图 20. 基于谢尔宾斯基地毯构造的两类典型分形矢量光场的偏振态和强度分布[39]。(a)(b)偏振态分布;(c)(d)总光强实验结果;(e)(f) x分量强度实验结果

Fig. 20. Polarization and intensity distributions of two types of fractal vector optical fields based on the Sierpinski structure[39]. (a)(b) Polarization states; (c)(d) experimental total intensity patterns; (e)(f) experimental x-component intensity patterns

图 21. 以径向偏振矢量光场为“基元”并与不同分形“点阵”结合的分形矢量光场的强度实验结果[40]

Fig. 21. Experimental intensity patterns of the generated fractal vector optical fields with radially polarized vector optical fields as bases and different lattices[40]

图 22. B类分形矢量光场在焦面上产生的阵列矢量光场[39]。(a)焦场强度模拟结果,图片尺寸0.6 mm×0.6 mm;(b)焦场强度模拟结果,图片尺寸1.8 mm×1.8 mm;(c)焦场强度模拟结果,图片尺寸5.4 mm×5.4 mm;(d)焦场强度实验结果

图 23. 多区域扇形掩模板和阵列矢量焦场[86-87]。(a)沿径向分割的多区域扇形掩模板;(b)沿旋向分割的多区域扇形掩模板;(c)图(a)对应生成的阵列矢量焦场;(d)图(b)对应生成的阵列矢量焦场

Fig. 23. Multi-zone sector plates and corresponding array vectorial focused fields[86-87]. (a) Multi-zone plate divided in radial direction; (b) multi-zone plate divided in azimuthal direction; (c) vectorial focused fields corresponding to (a); (d) vectorial focused fields corresponding to (b)

图 24. 二维矢量焦点阵列[88]。(a)焦点强度和位置可调;(b)焦点偏振态可调

Fig. 24. Two-dimensional vectorial multifocal array[88]. (a) Multifocal spots with controllable intensities and positions; (b) multifocal spots with controllable states of polarization

图 25. 焦点参数可控的三维矢量焦点阵列[88]。(a)三维矢量焦点阵列;(b)~(e)经过偏振片之后的强度,红色箭头为偏振片的透射方向

Fig. 25. Three-dimensional vectorial multifocal array with controllable parameters[88]. (a) Three-dimensional vectorial multifocal array; (b)-(e) corresponding intensity patterns of beams passing a polarizer with transmission direction marked by a red double arrow

4.3 阵列矢量光场的动态调控

图 26. 阵列矢量光场的动态调控及应用。(a)旋转阵列矢量光场和相应的焦场轨迹模拟图[89];(b)剪切变换阵列分形矢量光场和相应的微操纵实验图[40]

Fig. 26. Dynamically controlled array vector optical fields and the applications. (a) Rotation of the array vector optical field and the corresponding simulated focal traces[89]; (b) shear transformation of the array fractal vector optical field and the corresponding trapping experiment results[40]

5 偏振奇点与多奇点矢量光场

图 27. 两种全庞加莱球场以及其中的C点和L线

Fig. 27. Two kinds of full Poincare beams and C-point and L-line in these fields

图 28. 出射场的强度和偏振态分布(偏振C点用圆圈表示,L线用黄色线圈表示)[93]

Fig. 28. Intensity and polarization distributions of the output field (the C-points are marked by circles, and the L-line is represented by a yellow line)[93]

图 29. 具有不同振幅比的三光束干涉生成的偏振奇点阵列矢量光场(绿色椭圆代表偏振态,黄色曲线代表L线,蓝色圆环和红色方块代表C点)[41]。(a) 1∶1∶1;(b) 5∶5∶7;(c) 5∶5∶3

图 30. 类电场线形式的多偏振奇点矢量光场[42]

Fig. 30. Multiple polarization singularity vector optical fields with spatial state of polarization (SoP) structures similar to the electric field lines[42]

图 31. 六种多奇点矢量光场的偏振分布[43]

Fig. 31. Polarization distributions of six kinds of multiple polarization singularity vector optical fields[43]

6 其他非柱对称的新型矢量光场

6.1 坐标系中的新型矢量光场

图 32. 二维正交坐标系。(a)抛物坐标系;(b)椭圆坐标系;(c)双极坐标系;(d)双曲坐标系

Fig. 32. Two-dimensional orthogonal coordinates systems. (a) Parabolic coordinates system; (b) elliptic coordinates system; (c) bipolar coordinates system; (d) hyperbolic coordinates system

图 33. n=0时不同拓扑荷情况下的抛物对称矢量光场[44]

Fig. 33. Parabolic-symmetry vector optical fields with different topological charges and n=0[44]

图 34. n=0时不同拓扑荷情况下的椭圆对称矢量光场[45]

Fig. 34. Elliptic-symmetry vector optical fields with different topological charges and n=0[45]

图 35. n=0时不同拓扑荷情况下的双极对称矢量光场[46]

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