1 南京邮电大学电子与光学工程学院、柔性电子（未来技术）学院，江苏 南京 210023
2 南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210023
柱矢量光束的紧聚焦在光学微操纵、光学存储、激光微加工、超分辨率成像和粒子加速等领域发挥着重要作用。亚波长光栅平凹透镜对柱矢量光束的紧聚焦的能力仍有提升空间，本文利用闪耀结构将光的能量从零级转移并集中到-1级，对亚波长光栅平凹透镜的聚焦性能进行优化。提高了透镜的衍射效率，增强了焦场的能量。通过调整高斯径向偏振光的形状参数，改变入射光振幅及入射区域半径实现对焦场能量的动态调控。进一步地，调控柱矢量光束的偏振组分能够直接有效地横向调制焦场，获得多样化形貌的焦斑。本文的优化手段对于其他光栅透镜也具有参考意义，该研究结果在超分辨率成像以及光场调控等领域具有潜在的应用价值。
亚波长光栅透镜 柱矢量光束 闪耀结构 聚焦 调控
光学 精密工程
2023, 31(23): 3395
Author Affiliations
Abstract
1 Department of Optoelectronic Information of Science and Engineering, School of Science, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212100, China
2 Key Laboratory of Ferro and Piezoelectric Materials and Devices of Hubei Province, Faculty of Physics and Electronic Science, Hubei University, Wuhan 430062, China
3 School of Optical and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China
We reporte and demonstrate a solid-state laser to achieve controlled generation of order-switchable cylindrical vector beams (CVBs). In the cavity, a group of vortex wave plates (VWPs) with two quarter-wave plates between the VWPs was utilized to achieve mode conversion and order-switch of CVBs. By utilizing two VWPs of first and third orders, the second and fourth order CVBs were obtained, with mode purities of 96.8% and 94.8%, and sloping efficiencies of 4.45% and 3.06%, respectively. Furthermore, by applying three VWPs of first, second, and third orders, the mode-switchable Gaussian beam, second, fourth, and sixth order CVBs were generated.
cylindrical vector beams order-switchable beams vortex wave plates solid-state laser Chinese Optics Letters
2023, 21(10): 101401
1 昆明理工大学理学院激光信息处理技术与应用重点实验室, 云南 昆明 650500
2 河北工程大学数理科学与工程学院, 河北 邯郸 056038
基于瑞利-索末菲矢量衍射理论和振幅透过率函数,研究了轴锥镜的柱矢量光束聚焦特性。研究结果表明,径向偏振光的矢量聚焦场由径向分量及轴向分量构成,而角向偏振光的矢量聚焦场仅由角向分量构成,同时聚焦场焦深随束腰半径的增大而增加。相较理想情况,锥顶为双曲线时,焦深几乎不变,但光强因干涉效应发生振荡,其依赖于入射光的束腰半径,当径向偏振光束腰半径达到4 mm,角向偏振光束腰半径达到3.5 mm时,振荡现象消失。研究结果为轴锥镜的实际应用,以及进一步完善柱矢量光束聚焦场理论提供了参考。
衍射 矢量衍射理论 双曲线顶点 柱矢量光束 束腰半径 振荡现象
南京邮电大学电子与光学工程学院、微电子学院, 江苏 南京 210023
研究亚波长负折射光栅透镜的柱矢量光束聚焦效应,探索并分析光栅的材料、几何参数等对聚焦效果的影响。亚波长光栅的-1级衍射效应可实现等效负折射现象,结合等光程原理可设计出聚焦平凹镜。利用柱对称坐标系下的有限元算法,分析不同材料折射率、不同等效负折射率、不同预设焦距对实际聚焦效果的影响。结果表明:材料折射率能影响聚焦场的能量效率;等效负折射率为-1时,焦点尺寸最小;预设焦距越小,焦点尺寸越小。聚焦场中纵向电场的比例是影响聚焦场横向尺寸的决定性因素。因此,合理设定光栅负折射率、材料折射率,优化负折射光栅平凹镜设计,能够获得优化的聚焦效果。本工作为柱矢量光束聚焦场调控及相关领域的微纳结构设计提供了参考。
光栅 亚波长结构 透镜 柱矢量光束 负折射 聚焦 光学学报
2019, 39(11): 1105001
1 西北工业大学 电子信息学院, 陕西 西安 710072
2 浙江清华长三角研究院杭州分院, 浙江 杭州 310000
基于严格矢量衍射理论, 分析了亚波长光栅将圆偏光转化为线偏光的机理。根据分析的结果提出了一种利用光栅空间分布控制出射光偏振态分布的方法, 并使用该方法规设计了一类光栅区域呈多带环形分布的偏振器件。通过改变该型器件的环形光栅区域数量, 可以得到不同的偏振光束。通过对出射光束使用Richards-Wolf矢量衍射法进行数值分析, 得到了在大数值孔径条件下, 聚焦光束在焦点附近的归一化光强分布。其中大多数出射光束的焦点光强分布为平顶光斑, 光斑的最大径向半高全宽达到了1.541 λ。与同数值孔径下线偏光、径向偏振光及角向偏振光的聚焦光强分布具有明显区别。
亚波长光栅器件 圆柱型矢量光束 矢量衍射分析 平顶聚焦光强分布 subwavelength grating polarizers cylindrical vector beams vectorial diffraction analysis flattop focusing intensity distribution 红外与激光工程
2019, 48(3): 0302004
1 南京航空航天大学理学院应用物理系, 江苏 南京 211106
2 南京航空航天大学机电学院, 江苏 南京 211106
基于复合波片消色差设计方法，结合矢量光场衍射受限的大数值孔径聚焦理论，以600 nm 为中心波长，提出了一种适用于宽波带的全晶体型光瞳滤波器。该滤波器由三片具有同心分区环带的复合延迟波片构成，每分区波片具有各自的方位角及环带参数，且相邻环带光轴垂直。在轴对称偏振矢量光场入射下，通过调节光瞳滤波器的方位角，经聚焦后，在550~650 nm 波长范围内，均可获得轴向焦深的扩展、横向压缩的光针场以及衍射受限的三维光管场。研究结果表明，该光瞳滤波器在100 nm 波段内实现了宽波带矢量光场的调控，这种光瞳滤波器的设计对发展矢量光场的聚焦理论和拓展矢量光在宽波带光场应用方面有重要意义。
光学器件 轴对称矢量光束 光针场 光管场 宽波带
1 上海大学理学院物理系, 上海 200444
2 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119
介绍了非近轴光束的表示理论，利用该表示理论很好地解决了非近轴光束的角动量问题，发现非近轴光束的总角动量可以严格地分解成自旋和轨道两部分，但是两者都依赖于由偏振椭圆度表征的光束的偏振状态。主要研究了柱矢量光束的角动量问题。给出了动量空间和位形空间中的柱矢量光束表达式和角动量算符表达式。通过分析两个空间中的角动量算符及柱矢量光束表达式，发现在这两种空间中，具有螺旋型相位的柱矢量光束是角动量算符沿着传播方向的分量的本征态，其本征值与偏振椭圆度无关，这为计算这类特殊光束的角动量提供了一种新方法。
物理光学 本征态 角动量算符 柱矢量光束
有限光束矢量特性可以由全局化的特征单位矢量和广义琼斯矢量完整地描述，特征单位矢量平行于传播轴的光束为柱矢量光束。通过这种表示理论描述了在近轴近似条件下柱矢量光束的透射情况。在透射过程中光束的特征单位矢量发生了变化，透射光束的特征单位矢量既不平行于传播轴，也不垂直于传播轴。特征单位矢量的变化导致光束产生了一个与入射面垂直的横向位移，同时这个横向位移和光束的偏振椭圆率有关，不同圆偏振态（左旋和右旋）的透射光束所产生的横向位移的方向相反。这一结果和近年来在实验中检测到的均匀偏振光束的自旋霍尔效应类似，表明柱矢量光束在透射过程后也会产生光的自旋霍尔效应。
物理光学 自旋霍尔效应 特征单位矢量 柱矢量光束 光学学报
2011, 31(10): 1026001
