矢量光三维焦场调控及其光力特性研究

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为了充分挖掘和利用激光的潜能,大批科研工作者致力于光场调控的研究。光场调控的自由度包括频率、相位、振幅、偏振和相干性。在光学检测与计量、数据存储、光通信、材料科学、天文学以及生物学等领域,光束的偏振态特性被广泛研究。利用光束偏振的方向性与物质相互作用的特性,设计了许多光学设备和光学系统。然而大多数的研究都局限于传统的均匀偏振光束,如线偏振光,圆偏振光和椭圆偏振光等。不同于传统的均匀偏振光,偏振态在横截面上的分布具有空间变化的光束称为矢量光。矢量光的聚焦、干涉和衍射等物理过程均具有新特点和新现象,因此矢量光场的出现引起了广泛关注,并在光刻技术、生物显微、光镊技术和微纳光子学等领域被广泛运用。调控光束的偏振态,实际是增加光场调控的自由度,不仅丰富了光场的多样性,更为充分利用激光技术提供了灵活的调控方式。然而,到目前为止,对矢量光束基础特性的研究还不完善,依然存在许多未能解决的难题。因此系统地研究矢量光束的相关基础特性是一项很有意义的课题。本论文以研究矢量光的焦场调控为目的,对矢量光的三维焦场调控和光力特性进行了理论研究,主要内容如下:  1、针对矢量光的三维焦场调控,提出了一种调控双环柱对称矢量光束产生平顶光场和光学囚笼的方法。平顶光场和光学囚笼可分别用于捕获高折射率粒子和低折射率粒子。通过设置加载在空间光调制器上的振幅信息就可以实现平顶光场和光学囚笼之间的灵活切换,该方法为矢量光捕获含有两种不同折射率粒子的系统提供了可能。  2、研究了瑞利粒子所受的光力特性,总结归纳了粒子所受光力的理论表达式。研究结果表明,在平顶光场作用下,高折射率粒子受到能够稳定捕获于焦场处的梯度力,而在光学囚笼作用下,低折射率粒子能够稳定捕获于光强较弱的中心。矢量光的焦场对瑞利粒子的作用力分布验证了平顶光场和光学囚笼分别捕获高折射率粒子和低折射率粒子的可行性。
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