矢量光束及其在激光干涉技術(shù)中的研究.pdf

1、近年來(lái)，矢量光場(chǎng)的偏振調(diào)控成為了人們的研究熱點(diǎn)。矢量光場(chǎng)因其獨(dú)特的光場(chǎng)非均勻偏振分布導(dǎo)致了許多新穎特性，從而對(duì)光場(chǎng)的空時(shí)演化及光場(chǎng)與物質(zhì)的相互作用有重要影響。例如徑向偏振的光場(chǎng)可以被緊聚焦成更小的焦斑并具有很強(qiáng)的縱向場(chǎng)分量；偏振態(tài)的空間分布為光子糾纏提供了新的自由度，并且光場(chǎng)的偏振旋度與光學(xué)軌道角動(dòng)量密切相關(guān)等。正因?yàn)槭噶抗馑哂械男路f特性，使得它在生物光子學(xué)、量子信息、近場(chǎng)光學(xué)、光學(xué)微操縱、單分子成像、超分辨顯微、激光加速、微加工等領(lǐng)

2、域有著巨大的應(yīng)用價(jià)值。
　　激光干涉是產(chǎn)生微納米周期結(jié)構(gòu)的有效手段。目前激光干涉大都集中在調(diào)節(jié)干涉光束的夾角或多束光之間的相位差，以及控制他們之間的偏振關(guān)系，并且所用激光都是線(xiàn)偏光。若要刻蝕帶有各種缺陷的表面周期結(jié)構(gòu)，則只能通過(guò)增加掩膜或控制相位差的方式來(lái)產(chǎn)生。而矢量光所具有獨(dú)特偏振分布，將有可能作為激光干涉的新型調(diào)控手段而產(chǎn)生更為豐富的微納周期結(jié)構(gòu)。但迄今為止矢量光未被用于激光干涉光刻技術(shù)。
　　本論文中，我們對(duì)矢量光場(chǎng)的

3、基本特性以及矢量光在激光干涉技術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究。首先對(duì)矢量光的生成進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了生成相位可控的任意矢量光的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，獲得了相位和偏振可控的矢量光。然后對(duì)矢量光在傳輸過(guò)程中的衍射特性做了實(shí)驗(yàn)研究。最后將任意矢量光用于激光干涉，研究了利用矢量光產(chǎn)生帶有缺陷的微納米周期結(jié)構(gòu)的理論和實(shí)現(xiàn)方法。論文的主要工作和創(chuàng)新成果包括：
　　1.基于光學(xué)全息的角度復(fù)用原理，根據(jù)空間光調(diào)制器（SLM）對(duì)光場(chǎng)的相位和振幅的調(diào)制特性，通過(guò)在SLM

4、上加載產(chǎn)生任意矢量光所需要的相位分布，設(shè)計(jì)了一種生成任意矢量光的方法。該方法首先利用光學(xué)全息技術(shù)記錄空間光調(diào)制器(SLM)加載的相位，從而制作一個(gè)全息光柵。再現(xiàn)過(guò)程中，兩束具有相同入射角度的參考光照射全息光柵，使得兩束再現(xiàn)光相干疊加，從而獲得偏振調(diào)控的任意矢量光。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬生成了任意矢量光，驗(yàn)證該方法的有效性。
　　2.基于向列型液晶空間光調(diào)制器的弱扭曲效應(yīng)（旋光特性），根據(jù)空間光調(diào)制器所加電壓與旋光角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，設(shè)計(jì)了可以

5、生成多種渦旋矢量光的通用光路。利用上述方法，在實(shí)驗(yàn)上生成了多種攜帶軸對(duì)稱(chēng)相位的矢量光以及偏振分布如圖案般復(fù)雜的矢量光，觀察和檢測(cè)了他們的偏振特性，獲得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這種生成矢量光的光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作容易，幾乎無(wú)能量損失，因此在飛秒矢量光束與物質(zhì)相互作用、激光加速等方面具有很大的應(yīng)用潛力。
　　3.利用SLM的相位和振幅調(diào)制特性并結(jié)合傅里葉計(jì)算全息技術(shù)，設(shè)計(jì)了新型的非對(duì)稱(chēng)雙隨機(jī)相位圖像加密實(shí)驗(yàn)技術(shù)。在該方法中，待加密圖像被轉(zhuǎn)

6、化為實(shí)值的計(jì)算全息圖，因此加密過(guò)程不需要全息干板或者光折變晶體等存儲(chǔ)煤質(zhì)。并且采用非對(duì)稱(chēng)密鑰技術(shù)設(shè)計(jì)了與加密密鑰完全不同的解密密鑰，從而保證了該方法具有很高的安全性?；谏鲜鲈?，我們利用空間光調(diào)制器首次在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了基于隨機(jī)相位的光學(xué)信息的加密和解密過(guò)程。
　　4.對(duì)任意矢量光的單縫衍射進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)的研究。分析了矢量光的偏振奇點(diǎn)對(duì)單縫衍射圖樣的影響，獲得了與理論結(jié)果吻合的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，任意矢量光的衍射強(qiáng)度分布

7、由拓?fù)浜蒻控制，但是衍射圖樣的偏振分布與矢量光的特征參數(shù)，包括拓?fù)浜蒻,徑向偏振周期n和初始相位φ0相關(guān)，所以衍射圖樣的偏振分布信息可用于反映任意矢量光的特征參數(shù)。
　　5.開(kāi)展了將矢量光用于激光干涉來(lái)產(chǎn)生表面周期結(jié)構(gòu)的研究。通過(guò)控制矢量光的偏振分布以及多束矢量光之間的夾角，模擬生成了不同深度、形狀以及帶有缺陷的微納米周期結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，矢量光的特殊偏振分布提供了調(diào)控表面周期結(jié)構(gòu)參數(shù)的維度，并且發(fā)現(xiàn)多束矢量光之間的夾角也是影響表面