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近年来,矢量光束由于其独特的聚焦特性引起了越来越多的关注。比如,径向偏振光能够聚焦得到极强的纵向无衍射偏振分量,从而产生比标量光束更小的焦斑;而角向偏振光能够得到二维中空光束。同时,不同的偏振配置为表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)调控引入了新的自由度,表面等离激元是一种束缚在金属/介质分界面上传播的电子/光子混合表面波,具有波长小于激发波长、电场高度局域与增强、对介质折射率变化敏感等特点,在超分辨成像、高灵敏度生物传感器、太阳能电池和等离激元芯片等诸多领域得到了广泛的应用。如何充分发挥SPPs作为信息载体的优势,其光场的激发与调控至关重要。传统实现SPPs局域与控制的方法大多基于固定的特殊设计的金属表面,比如纳米颗粒或者亚波长尺度微结构等。但是,这种激发方式操作复杂、散射和吸收损耗大、难以重构等不足极大限制了SPPs的应用。因此,发展新型的具有动态可重复性、全光无结构的SPPs激发与调控方法势在必行。 本文主要利用矢量光束基于显微聚焦模型在光滑的金属表面调控SPPs,其中高数值孔径物镜的引入能够提供较大的会聚角,为SPPs波矢匹配条件的满足提供可能,而矢量光束不同的偏振配置为SPPs调控引入新的自由度,只需设计入射光场的偏振分布便能动态控制SPPs的激发和传播,无需特殊设计的金属结构,从而实现动态全光可重构的目的。本文对矢量光束的产生和聚焦特性以及全光动态SPPs激发与调控进行了理论和实验研究,具体内容如下: 分析了矢量旋涡光束的产生方法,主要分为腔内法和腔外法两种。腔内法主要是设计特殊结构的激光谐振腔直接生成矢量光束,比如可基于光的二向色性和双折射,也可以利用微纳光学元件和光纤等。腔外法又可分为干涉法和单路集成法,干涉法先将一路光分为两路,分别对两路光加载不同的位相调制,最后将两路光合束干涉产生不同的矢量光束;而单路集成法主要基于特殊设计的光学元件,其中,特殊设计的光学元件包括径向角向提取器、位相延迟器件、亚波长光栅和液晶元件等。理论提出了基于偏光膜和位相补偿器生成任意局域线偏振矢量光束的方法,实验上生成了多种不同的偏振光束,包括准径向、准角向以及更复杂的二元矢量光场。 研究了矢量旋涡光束的聚焦特性。分析了用于计算强聚焦焦场分布的Richards-Wolf矢量衍射理论并讨论了标量光束的紧聚焦特性。此外,基于该理论,推导并建立了任意方向的线偏振光、准径向角向偏振光、任意局域线偏振矢量光和杂化偏振光束的强聚焦场分布的解析模型。进而研究了准径向角向偏振光的强聚焦特性,并同严格径向角向偏振光聚焦特性做了对比。之后分析了角向变化、径向变化、角向径向同时变化任意局域线偏振和杂化偏振矢量旋涡光束的聚焦场分布特性;提出了利用径向变化杂化偏振矢量光束结合二元位相调制产生超长横向偏振焦斑的方法,该方法所产生的横向偏振超长焦斑不仅焦长更长而且旁瓣抑制更加明显,表现出了明显的优势。 理论和实验两个方面讨论了任意局域线偏振和杂化偏振矢量旋涡光束在强聚焦模型下全光动态调控SPPs。基于Richards-Wolf矢量衍射理论,首先推导并建立了广义柱对称矢量光束、任意局域线偏振矢量光束和杂化偏振矢量旋涡光束在强聚焦模型下激发SPPs金属表面场分布的解析模型;进而研究并分析了广义柱对称矢量光束、高阶柱对称矢量光束和杂化偏振矢量光束入射下激发SPPs的新效应。对于广义柱对称矢量光束,随着入射光径向偏振纯度的降低,所激发的SPPs场逐渐从很强虚拟探针演化为极弱的环形分布;而对于高阶柱对称矢量光束,所激发的SPPs场表现为多焦斑分布,焦斑的个数同入射的高阶柱对称矢量光束的阶次有关。为了验证这一结果,产生了满足条件的矢量光束并实验得到了SPPs的近场分布,验证了解析模型的正确性。杂化偏振矢量光束偏振分布相对更加复杂,所激发的SPPs场也更为奇特,该结果利用FDTD方法也得到了验证。