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
1 中国科学技术大学 核探测与核电子学国家重点实验室,合肥 230026
2 中国科学技术大学 物理学院 光学与光学工程系,合肥230026
3 先进激光技术安徽省实验室,合肥 230026
为了在光纤激光器中获得具有中心波长可调谐的锁模脉冲柱矢量,采用半导体可饱和吸收镜和高反的啁啾光纤光栅作为腔镜,搭建了直腔掺镱脉冲光纤激光器,腔内插入长周期光纤光栅作为模式转化器件,进行了实验验证,取得了波长可调谐的柱矢量脉冲数据。结果表明,激光器工作在1060.72 nm时,光谱带宽0.22 nm,输出斜率效率为8.6%,锁模脉冲宽度为10.9 ps,重频 18.66 MHz,锁模脉冲信噪比高达65 dB,同时获得了模式纯度超过97%的柱矢量光束; 调节腔内的偏振控制器来改变腔内波长的损耗,可以实现锁模柱矢量脉冲的谐振波长在1060.72 nm~1066.04 nm连续可调。该研究为可调谐脉冲柱矢量光纤激光器研制提供了重要的参考价值。
激光器 波长可调谐 锁模 柱矢量光束 掺镱光纤激光器 lasers wavelength tuning mode-locked cylindrical vector beam ytterbium doped fiber laser
1 山东大学 激光与红外系统集成技术教育部重点实验室，山东 青岛 266237
2 中国工程物理研究院 应用电子学研究所，四川 绵阳 621900
柱矢量光束因其独特的偏振分布特性而在光镊、高分辨率成像、遥感、等离子体聚焦等领域发挥着重要作用。为实现全光纤高功率柱矢量MOPA激光器，采用自主设计基于集成超表面的模式转换光纤器件，进行了理论分析与实验验证。自主设计集成超表面的模式转换光纤器件可直接稳定输出数瓦功率的径向偏振柱矢量种子光，且输出模式纯度可达95%以上。实验中通过降低弯曲损耗并对模式进行控制，获得了单级放大输出功率为52.2 W的径向偏振柱矢量光稳定输出，且模式光场分布在输出功率增加过程中并未出现明显变化。为进一步分析输出的模式特性，采用旋转检偏器的方法检测输出光的偏振特性及偏振纯度，并利用非相干模式叠加方法计算了输出的径向偏振柱矢量光的模式纯度。结果表明，集成超表面模式转换的全光纤柱矢量MOPA激光器在最大输出功率情况下，输出光的偏振纯度约为95.2%，模式纯度约为94%，验证了该全光纤方案的可行性。
超表面 柱矢量光束 径向偏振光 光纤激光器 模式分析 弯曲损耗 metasurface cylindrical vector beam radially polarized beam fiber laser mode analysis bend loss 强激光与粒子束
2023, 35(10): 101003
1 航天工程大学宇航科学与技术系，北京 101416
2 航天工程大学基础部，北京 101416
涡旋半波片（VHP）是一种快轴取向在空间分布上呈特定角向变化规律的偏振光学元件。通过级联两个或多个低阶VHP可以产生任意高阶柱矢量光束（CVB）。基于单个VHP的琼斯矩阵，推导了VHP级联后的等效琼斯矩阵，从理论上解释了VHP级联后等效阶数的变化规律。实验上，利用和的两个VHP级联产生1阶和3阶径向偏振和角向偏振CVB，计算斯托克斯参数并绘制矢量光束偏振态分布图，并与的单个VHP直接生成的CVB进行比较，证明了级联方法的可靠性。在级联VHP产生相同高阶CVB时，VHP的不同级联顺序能够影响由于中心错位而造成的光束畸变程度。经实验对比分析，得到了级联应用中能够稳定产生高质量、高阶CVB的方法，并通过级联多个VHP产生了100阶以内任意CVB。
物理光学 柱矢量光束 涡旋半波片 琼斯矩阵 斯托克斯参数 偏振检测 光学学报
2022, 42(13): 1326001
华南师范大学广东省微纳光子功能材料与器件重点实验室, 广东 广州 510006
研究了奇点光束的叠加特性,从理论上分析奇点光束叠加后的相位分布和偏振分布,并用实验验证了理论推导的正确性。对同阶非相干涡旋光束叠加后的偏振态进行分析,发现叠加后的光束保持原有的轨道角动量,且光束的偏振态随方位角呈周期性变化,变化周期由涡旋拓扑荷值决定;分析了具有不同偏振拓扑荷值的柱矢量光束叠加后光场偏振态的变化规律。探究了既有相位奇点又有偏振奇点的柱矢量涡旋光束的叠加特性,发现叠加后的光束偏振态随方位角呈周期性变化,变化周期由涡旋拓扑荷值决定,光场各点的偏振态由涡旋拓扑荷值、偏振拓扑荷值及初始相位角共同决定。
物理光学 奇点光束 涡旋光束 柱矢量光束 偏振 激光与光电子学进展
2020, 57(19): 192601
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
奇点光束包括基于相位奇点的轨道角动量(OAM)光束和基于偏振奇点的柱矢量光束(CVB)。OAM光束和CVB都具有正交性，可以作为空分复用的模式应用于光通信中，为光束复用提供一个新的自由度，大幅度地提高光通信系统的容量，在光通信中具有广泛的应用前景。文章首先介绍了OAM光束和CVB的数学描述和物理特性，然后重点综述了其产生和检测方法以及在自由空间光通信和光纤通信中的研究进展，比较了OAM光束和CVB在光通信应用中各自的优势与不足之处。最后，探讨了奇点光束复用光通信的应用方向和发展趋势。
奇点光束 光通信技术 轨道角动量 柱矢量光束 singular optical beams optical communication technology OAM CVB
1 深圳大学光电工程学院,二维材料光电科技国际合作教育部联合实验室,广东省二维材料信息功能器件与系统工程技术研究中心, 广东 深圳 518060
2 新加坡国立大学电气与计算机工程系, 新加坡 117576
超表面在柱矢量光束(CVB)产生方面具有效率高、器件精巧等优势,被广泛用于CVB产生及相关应用,但是该方法存在一个比较大的缺点:超表面的结构是固定的,因此生成的CVB的阶数是不可调的。为了解决该问题,在1550 nm波段实验证明了一种通过模式的加减操作来高效调控CVB偏振阶数的方法。通过将两块超表面级联在一起,实现了CVB偏振阶数的减法运算;在两块超表面之间插入一块半波片,通过反转CVB偏振阶数,实现了CVB偏振阶数的加法运算。最终实现了在-8~8范围内以2为步长的CVB偏振阶数调控操作,实验结果与Jones矩阵的计算结果完全吻合。
表面光学 二维电介质超表面 柱矢量光束 偏振阶数
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海200093
为提高光学显微成像及微粒控制的效率,提出一种通过双环形旋涡相位板对入射光为拉盖尔高斯柱矢量光束进行波前相位调制的多焦点产生方法。通过Debye矢量衍射理论分析了该相位板对焦点区域光强分布的影响。分析表明,经调节内外环旋涡相位拓扑数及内环的半径,可以对焦点区域光强分布进行整形,在焦平面上产生多焦点,而且通过改变入射柱矢量光束的偏振态,可以进一步得到光场由轴向分量为主的多焦点及由横向分量组成的多焦点。通过改变旋涡相位板的拓扑数及光束的参数,可以达到对光斑的数量的控制。这对于捕捉折射率高于周围环境折射率的微粒具有重要的应用价值。
拉盖尔高斯柱矢量光束 旋涡相位板 微粒控制 LaguerreGaussian cylindrical vector beam vortex phase plate particles manipulation
