矢量光場波前調(diào)控方法及應(yīng)用研究.pdf

1、光場存在兩個重要的調(diào)控參量：振幅和相位，除此之外,偏振也是光的一個重要性質(zhì)。所謂的矢量光場就是指同一波振面上不同位置具有不同偏振態(tài)的光場。隨著近年來對矢量光場研究的不斷深入，光的這種矢量性質(zhì)以及矢量光場與物質(zhì)的相互作用已經(jīng)成為光學(xué)檢測和計量、顯示技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲、光通信、材料科學(xué)、天文學(xué)以及生物學(xué)等許多研究領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。其中矢量光場通過散射介質(zhì)的聚焦已經(jīng)成為光學(xué)測量和成像研究領(lǐng)域的熱點之一。因此如何產(chǎn)生具有所需要的偏振態(tài)和復(fù)振幅的矢

2、量光場以及如何調(diào)控通過散射介質(zhì)后光場的偏振態(tài)是該研究領(lǐng)域重點關(guān)注的一個研究內(nèi)容。
　　本文針對矢量光場的產(chǎn)生和波前調(diào)控方法進行了實驗研究和理論分析，主要研究內(nèi)容如下：
　　1.對矢量光場調(diào)控及其應(yīng)用的基本概念、研究背景、最新進展及存在的問題進行了綜述和分析。重點歸納了基于空間光調(diào)制器實現(xiàn)矢量光束波前調(diào)控和實現(xiàn)矢量光場通過散射介質(zhì)聚焦的方法和途徑，分析了已有方法存在的不足之處和局限性。
　　2.基于Jones矩陣?yán)碚摲治?/p>

3、討論了一般和典型矢量光場的數(shù)學(xué)描述方法并給出了一種模擬矢量光場在均勻空間衍射和傳輸?shù)挠嬎惴椒āＳ捎谑噶抗馐钠駪B(tài)可以用 Jones基元進行表征，因此本章利用Jones矩陣對矢量光束偏振態(tài)的表征給出了理論分析，并基于Jones矩陣給出偏振敏感材料和器件的表征方法。然后，基于標(biāo)量衍射理論對矢量光場的衍射特性進行了計算機數(shù)值模擬。最后，基于矢量衍射理論對徑向矢量光場的聚焦特性進行了理論分析和計算機模擬。
　　3.提出了一種基于雙折射棱

4、鏡和液晶空間光調(diào)制器產(chǎn)生具有任意偏振和復(fù)振幅分布的矢量光束的新方法，并給出了理論分析和實驗結(jié)果。這種方法不需要復(fù)雜的光路，而且所需的光學(xué)元件也很簡單，在液晶空間光調(diào)制器和雙折射分束鏡之間不涉及其他元件。利用基于液晶空間光調(diào)制器的偏振選擇計算全息就可以將普通高斯光束轉(zhuǎn)換成各種常用矢量光束，如徑向偏振矢量光束、旋向偏振矢量光束和拉蓋爾-高斯矢量光束。
　　4.提出了一種實驗測量各向異性散射介質(zhì)的矢量透射矩陣的新方法。很多情況下，散射介

5、質(zhì)對入射光場的偏振態(tài)是敏感的，并且透過散射介質(zhì)的光場的偏振態(tài)也會發(fā)生改變。此時，對應(yīng)散射介質(zhì)入射面上的一個入射基元，散射介質(zhì)的透射特性需用一組Jones矩陣參量來表征。本項研究將基于液晶空間光調(diào)制器和雙折射分束鏡的矢量空間光調(diào)制器技術(shù)用于矢量透射矩陣的測量，將矢量空間光調(diào)制技術(shù)與角分復(fù)用數(shù)字全息偏振成像技術(shù)相結(jié)合設(shè)計并實驗建立了一種新型矢量透射矩陣測量系統(tǒng)；利用該系統(tǒng)實驗測量典型的散射介質(zhì)（如ZnO等）的矢量透射矩陣，分析研究矢量透射矩

6、陣的分布和演化特性。
　　5.提出了利用矢量空間光調(diào)制器和角分復(fù)用數(shù)字全息偏振成像系統(tǒng)實現(xiàn)通過散射介質(zhì)的矢量光場聚焦控制新方法，并給出實驗驗證結(jié)果。該方法采用矢量空間光調(diào)制器對入射光場的振幅、相位和偏振分布進行綜合動態(tài)調(diào)控，從而進一步提高了聚焦調(diào)控范圍和自由度；與以上研究的散射介質(zhì)矢量透射矩陣的測量方法相結(jié)合研究了基于矢量透射矩陣確定產(chǎn)生所需聚焦光場的入射矢量光場的振幅、相位和偏振分布的算法并實驗研究了不同散射介質(zhì)的矢量光場聚焦特

7、性。
　　6.進一步提出了一種基于薄膜偏振分光棱鏡產(chǎn)生任意矢量光束的新方法，并給出了理論分析和試驗結(jié)果。盡管之前提出的基于小角度雙折射分束器產(chǎn)生矢量光束的方法大大簡化了光路同時提高了矢量光束的質(zhì)量，但是在不同波長或超短脈沖方面也存在一些缺點。由于寬帶薄膜偏振分光棱鏡對波長不敏感，偏振分束角可以通過旋轉(zhuǎn)相應(yīng)反射鏡來改變，因此新方法可望用于超短脈沖激光的矢量波前調(diào)控。我們還表明該系統(tǒng)具有良好的偏振選擇性成像能力。另外，該系統(tǒng)提供了兩個