现代光学基础-光学教程（东南大学）4-矢量光束.pptx

现代光学基础-光学教程（东南大学）4-矢量光束.pptx

《现代光学基础-光学教程（东南大学）4-矢量光束.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《现代光学基础-光学教程（东南大学）4-矢量光束.pptx（78页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用1矢量光场顾顾兵兵东南大学先进光子学中心http:

/矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用主要内容主要内容2一、光场的偏振态调控二、矢量光场的生成方法三、矢量光场的传播及焦场特性四、矢量光场的应用矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用3一、光一、光场场的偏振的偏振态调态调控控矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用标量光场线偏振光圆偏振光椭圆偏振光矢量光场？

矢量光场？

4矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用5在同一时刻同一波面上偏振态分布非均匀的光场在同一时刻同一波面上偏振态分布非均匀的光场矢量光场矢量光场径向偏振旋向偏振非均匀偏振光非均匀偏振光场场空空变变偏振光偏振光场场复杂偏振Adv.Opt.Photon.1,1（2009）.矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用6研究矢量光场？

研究矢量光场？

光光场场频频时时域域域域频率波长脉冲宽度/线型位位相相振振幅幅空空域域偏振偏振态态常规调控的手段主要涉及标标量光量光场场的振幅和位相等调控光传播行为有效途径之一：

采用以光子晶体为代表的人工微结构材料所关注的光所关注的光场绝场绝大多数大多数为为缺少空缺少空间结间结构构的的标标量光量光场场矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用7矢量光场OE7,77（2000）PRL106,123901（2011）PRL105,030407（2010）APL85,6239（2004）PRL102,183902（2009）矢量光场的应用矢量光场的应用焦场工程表面等离激元光学微加工近场探测量子光学与量子信息矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用光光场场偏振偏振态态表表述述光光场场偏振偏振态态表表述述偏振偏振椭椭圆圆ExtE0xcostkzxEytE0ycostkzy长轴长轴方位方位角角线线偏偏振振01右旋右旋圆圆偏偏振振左旋左旋圆圆偏偏振振1282cossin20x0yyyx0xx0yEtEtEtE22EtE2EE椭圆椭圆度度E0y/E0x矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用光光场场偏振偏振态态表表述述光光场场偏振偏振态态表表述述9Stokes参参量量*0xxyySEE*EE*1xxyy*32xyyxxyyxSEEEEEESEESjEEEE实验实验可可测测量量！

230偏振度偏振度P（S2S2S2）1/2/S1P1完全偏振完全偏振光光部分偏振部分偏振光光0P1P0非偏振非偏振光光例如：

例如：

水平水平线线偏振偏振光光11S001045o线线偏振偏振光光S1010左旋左旋圆圆偏振偏振光光S0110右旋右旋圆圆偏振偏振光光S01矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用10光光场场偏振偏振态态表表述述光光场场偏振偏振态态表表述述Poincar球球光光场场偏振偏振态态的几何表的几何表述述S1S0cos2cos2S2S0cos2sin2S3S0sin2*3xyyxSEE*EE*0xxyySEE*EE*1xxyySEE*EE*2xyyxSjEEEE11矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用光光场场偏振偏振态态表表述述光光场场偏振偏振态态表表述述Jones矢矢量量0yE0xEx电电场场EEEejy例如：

例如：

水平水平线线偏振偏振光光J101145o线线偏振偏振光光J21左旋左旋圆圆偏振偏振光光J112i右旋右旋圆圆偏振偏振光光J112i评评价价：

JonesJones矢量表达矢量表达简洁简洁，但不，但不能能描述自然光和部分偏振光。

描述自然光和部分偏振光。

StokesStokes参量用解析式描述参量用解析式描述光光的偏振的偏振态态，但缺乏直，但缺乏直观观性性；PoincarPoincar球球从从几几何何角角度度描描述述光光的的偏偏振振态态，具具有有直直观观性性，弥弥补补了了以以上上两两者者之之不不足足。

12矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用径向和旋向偏振径向和旋向偏振光光径向和旋向偏振径向和旋向偏振光光旋旋转转偏振偏振器器偏振偏振态态分分布布圆圆柱柱波波导导模模式式径径向向偏偏振振旋旋向向偏偏振振Appl.Phys.Lett.20,266（1972）矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用13Opt.Lett.32,3549（2007）单单模矢量光模矢量光场场（旋向拓扑旋向拓扑数数m=1,不同的初相不同的初相位位j0）矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用14高高阶阶柱柱对对称旋向称旋向变变化矢量光化矢量光场场高高阶阶柱柱对对称旋向称旋向变变化矢量光化矢量光场场矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用15双模旋向双模旋向变变化矢量光化矢量光场场双模旋向双模旋向变变化矢量光化矢量光场场内模内模m=1和和j0=0矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用内模内模m=1和和j0=016矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用非整数阶矢量光场非整数阶矢量光场同一波同一波阵阵面上面上四四种不同矢量光种不同矢量光场场非整数非整数阶阶矢量光矢量光场场1718矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用杂化偏振矢量光场杂化偏振矢量光场局域局域线线偏偏振振局域局域线线偏振、偏振、椭圆椭圆偏偏振、振、圆圆偏偏振振Opt.Express18,10786（2010）矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用19径向变化矢量光场径向变化矢量光场m02n/00矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用20径向变化矢量光场径向变化矢量光场2n/0arXiv:

0912.5260（2009）矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用旋向和径向同时变化矢量光场旋向和径向同时变化矢量光场Opt.Lett.36,3179（2011）21矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用旋向或/和径向同时变化矢量光场旋向或/和径向同时变化矢量光场Opt.Express20,21715（2012）22矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用32复杂图案的矢量光场复杂图案的矢量光场w:

/2矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用复杂图案的矢量光场复杂图案的矢量光场三元三元汉汉字字“明明”二元太极二元太极图图案案24矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用复杂图案的矢量光场复杂图案的矢量光场灰度灰度图图lena头头像像25矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用第一第一节节光光场场的偏振的偏振态调态调控控第一第一节节光光场场的偏振的偏振态调态调控控26矢量光矢量光场场的概的概念念研究矢量光研究矢量光场场的意的意义义光光场场偏振偏振态态表表述述偏振偏振椭椭圆圆Stokes参参量量Poincar球球Jones矢矢量量各种矢量光各种矢量光场场（径向和旋向偏振光、高（径向和旋向偏振光、高阶阶柱柱对对称、双模旋向称、双模旋向变变化、非整数化、非整数阶阶、杂杂化偏振化偏振、径向和径向和/或旋向或旋向变变化、复化、复杂图杂图案的矢量光案的矢量光场场）矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用27二、矢量光束的生成技二、矢量光束的生成技术术矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用28矢量光场的生成技术主主动动生生成成通过设计激光器的谐振腔，直接输出矢量光场激光，生成过程有激光增益介质参与优点：

可以获得很高效率的矢量光场缺点：

欠缺灵活性被被动动生生成成在激光谐振腔外，采用特殊设计的光学元件或者特殊的光学方法，将常规激光转化为矢量光场优点：

很强的灵活性缺点：

转换效率不高矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用双折射双折射选选模模主主动动生生成成主主动动生生成成Opt.Lett.31,2151（2006）简简化了化了谐谐振腔振腔结结构构主主动动生成的核心是矢量光生成的核心是矢量光场场模式模式选择选择！

红宝石激光器生成旋向偏振光谐振腔设计装置Appl.Phys.Lett.20,266（1972）Adv.Opt.Photon.1,1（2009）29矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用主主动动生生成成主主动动生生成成光的二向色性光的二向色性选选模模锥形Brewster棱镜ProceedingsoftheIEEE60,1107（1972）Opt.Lett.30，3063（2005）多多层层膜偏振光膜偏振光栅栅Opt.Lett.32,3272-3274（2007）3031矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用主主动动生生成成主主动动生生成成Appl.Phys.Lett.93,191104（2008）光光纤纤激光激光器器Opt.Express16,10762（2008）光子晶体反射光子晶体反射镜输镜输出耦合出耦合器器矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用主动生成主动生成腔内模式合腔内模式合成成Appl.Phys.Lett.77,3322（2000）两个正交偏振两个正交偏振的的HG10模和模和HG01模可以相干叠加成模可以相干叠加成为为径向和旋向偏振径向和旋向偏振光光32矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用径向偏振径向偏振转换转换器器被被动动生生成成被被动动生生成成Opt.Lett.21,1948（1996）.偏振偏振转换转换器器（ARCoptix,Switzerland）33矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用被被动动生生成成被被动动生生成成空空变变偏振偏振器器EinE0exjeyE0eejejjEoutE0ee空空变变位相延位相延迟迟器器Adv.Opt.Photon.1,1（2009）Appl.Phys.Lett.89,251114（2006）双折射晶双折射晶体体光学二向色性材光学二向色性材料料半波片Opt.Express16,7295（2008）1/4波片Opt.Lett.33,95（2008）34矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用亚亚波波长长光光栅栅被被动动生生成成被被动动生生成成工作波长10.6mAppl.Phys.Lett.79,1587（2001）Opt.Lett.27,1141（2002）Opt.Lett.29,238（2004）TM01径向偏振光TE01旋向偏振光Appl.Phys.Lett.93,231106（2008）光光纤纤35矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用干干涉涉被被动动生生成成被被动动生生成成NewJ.Phys.9,78（2007）基于空间光调制器的圆偏振合成生成矢量光场的干涉仪36矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用被被动动生生成成被被动动生生成成Mach-Zehnder干干涉涉Opt.Commun.213,241（2002）37矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用被被动动生生成成被被动动生生成成Sagnac干干涉涉Appl.Opt.45,8393（2006）基于Sagnac干涉仪的矢量光场激光谐振腔3838矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用被被动动生生成成被被动动生生成成梯形梯形Sagnac干干涉涉Opt.Express20,21715（2012）.基于梯形Sagnac干涉仪的任意空间变化偏振光束39矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用基于4f系统任意矢量光场的生成将常规光场分成两部分携带空变位相通过两个不同路径实现正交的偏振态（利用波片）（正交线偏振或左右旋圆偏振）合成两部分进行重构（利用光栅）VectorField将常规光场分成两部分利用空利用空间间光光调调制制器器携带空变位相通过两个不同路径实现正交的偏振态（利用波片）（正交线偏振或左右旋圆偏振）合成两部分进行重构（利用光栅）40普通路径干普通路径干涉涉矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用生成原理生成原理022SLMtx,y1cos2fx径向偏振ExE10Ey2jexpj+1级-1级AexpjAexpjExE10Ey2jexpj极坐标cosEEsinE旋向偏振41讨论讨论：

矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用第二节矢量光束的生成技术第二节矢量光束的生成技术主主动动生生成成被被动动生生成成双折射双折射选选模模光学二向色性光学二向色性选选模模多多层层膜膜偏偏振振光光栅栅光光子子晶晶体体反反射射镜镜光光纤纤激光激光器器腔内模式合腔内模式合成成空空变变偏振偏振器器空空变变位相延位相延迟迟器器亚亚波波长长光光栅栅光光纤纤干干涉涉矢矢量量光光场场生生成成方方法法42矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用43三、矢量光束的三、矢量光束的传传播及焦播及焦场场特特性性旋向偏振旋向偏振变变化的聚焦矢量光化的聚焦矢量光场场属于属于一一类类局域局域线线偏振矢量光偏振矢量光场场，其，其场场的偏的偏振振分布在任何位置均保持不分布在任何位置均保持不变变。

B.Guetal.,Opt.Express20,149（2012）.44矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用矢量光矢量光场场的旁的旁轴轴聚聚焦焦矢量光矢量光场场的旁的旁轴轴聚聚焦焦均匀照明情况下任意柱状矢量光均匀照明情况下任意柱状矢量光场场的弱聚焦的弱聚焦场场m=0m=1m=2m=3Polarizer焦焦场场处处过过焦焦场场m=1,z=f-2z0f+2z0矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用矢量光矢量光场场的旁的旁轴轴聚聚焦焦矢量光矢量光场场的旁的旁轴轴聚聚焦焦具有旋向偏振具有旋向偏振变变化的本征拉格化的本征拉格尔尔-高斯光束的弱聚焦高斯光束的弱聚焦场场45B.GuandY.PCui,Opt.Express20,17684（2012）.矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用矢量光矢量光场场的非旁的非旁轴轴聚聚焦焦矢量光矢量光场场的非旁的非旁轴轴聚聚焦焦具有旋向偏振具有旋向偏振变变化的本征拉格化的本征拉格尔尔-高斯光束的非旁高斯光束的非旁轴轴聚聚焦焦46B.GuandY.PCui,Opt.Express20,17684（2012）.47矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用zE对纵对纵向向场场的直的直观观解解释释x（a）（b）紧紧聚焦聚焦（a）（a）线线偏振偏振和和（b）（b）径向偏振矢量光径向偏振矢量光场场对对于径向偏振矢量光于径向偏振矢量光场场，紧紧聚焦情况下可聚焦情况下可产产生生强强的的纵纵向非向非传传播播电电场场。

磁磁场为场为零，波印廷矢量零，波印廷矢量为为零零！

zxE矢量光矢量光场场的的紧紧聚焦特聚焦特性性矢量光矢量光场场的的紧紧聚焦特聚焦特性性矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用紧紧聚焦聚焦线线偏振光偏振光束束（a）具有具有和和（b）没有没有p-位相位相板板zxEzx（a）（b）Ephaseplate通通过对过对一半一半线线偏振光加偏振光加pp位相板，聚焦光束的横向和位相板，聚焦光束的横向和纵纵向向场场可以互可以互换换！

Opt.Lett.36,352（2011）焦斑束腰半径与数焦斑束腰半径与数值值孔径之孔径之间间的关的关系系48矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用矢量光场的紧聚焦特性聚焦场计算聚焦场计算Ei,EeEeEr,zjkf20EcoscosEsinexd0PEcossinEcoseyEsinezRichards-Wolf矢量衍射理论Opt.Express7,77（2000）Adv.Opt.Photon.1,1（2009）eekseeexpjkzcosrsincossindy49xzE（,z）矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用径向偏振光场2001iE,02EexpJ200e纵向场纵向场Opt.Express7,77（2000）Er,zkf00dEcossinl0z0cosJ1er0eexpjkzcosjsinJe横向项xyzy纵向项xyzy50矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用51纵向场纵向场纵纵向和横向向和横向场场之之比比Phys.Rev.Lett.86,5251（2001）电电场场通通过过界界面面zr均匀照明径向偏振光均匀照明径向偏振光场场纵纵向向项项zr径向径向项项zrOpt.Express10,324（2002）总总光光强强矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用纵向场探测纵向场探测单分子荧光成像Phys.Rev.Lett.86,5251（2001）径向偏振径向偏振光光52一般的高斯一般的高斯光光矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用纵向场探测纵向场探测Phys.Rev.Lett.91,233901（2003）刀口“近场”探测径向和旋向偏振光的焦径向和旋向偏振光的焦场场53矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用纵向场探测纵向场探测扫描近场光学显微（NSOM）Opt.Express13,6821（2005）NA=1.6554矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用55纵向场探测纵向场探测Opt.Express15,3550（2007）光刻胶直接记录光场图样NA:

0.8rI56矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用光针（OpticalNeedle）光针（OpticalNeedle）用二元光学用二元光学获获得得获获得得纵纵向光向光针针NaturePhoton.2,501（2008）.NA:

0.95紧紧聚焦聚焦窄窄环环状的径向偏振光束状的径向偏振光束获获得得纵纵向光向光针针Opt.Express20,14891（2012）.57矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用平顶焦场（Flat-topfocusing）平顶焦场（Flat-topfocusing）调节调节初位初位相相f0=24OApplicationsinlasermaterialprocessingandlaserprintingzrrIzf0=0径向径向偏偏r振振光光zOpt.Express10,324（2002）.f0=90o旋向旋向偏偏r振振光光5858矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用二维中空聚焦场二维中空聚焦场二维中空焦场旋向偏振旋向偏振光光NA=1.32Opt.Express7,77（2000）高高阶阶柱柱对对称矢量光称矢量光场场xyzyNA=0.2yxm=3yxm=5yxm=2NA=0.9xyxyxy矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用不同环带偏振光在焦点处相干相消生成光学围栏Opt.Lett.31,820（2006）三维光学围栏（Opticalbubble）三维光学围栏（Opticalbubble）59内外环反位相的径向偏振光与旋向偏振光相干叠加提高围栏质量Opt.Commun.279,229（2007）矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用单阶双模矢量光场实现均匀三维光学围栏Opt.Commun.282,3421（2009）三维光学围栏（Opticalbubble）三维光学围栏（Opticalbubble）10.08920.71160矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用三维光链（Opticalchain）三维光链（Opticalchain）Opt.Lett.30,848（2005）DOE两同心区域的Gouy相移的差异而形成三维光链。

应用：

实现三维光学诱捕，沿光轴方向加速和输运粒子61矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用第三章矢量光束的传播及焦场特性第三章矢量光束的传播及焦场特性62矢量光矢量光场场的旁的旁轴轴和旁和旁轴轴聚聚焦焦矢量光矢量光场场的的紧紧聚焦特聚焦特性性纵纵向向场场纵纵向向场场探探测测光光针针平平顶顶焦焦场场二二维维中空聚焦光中空聚焦光场场三三维维光学光学围围栏栏三三维维光光链链矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用63四、矢量光束的四、矢量光束的应应用用矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用光学微加工光学微加工Phys.Rev.Lett.106,123901（2011）.64矢量光束生成及微加工装矢量光束生成及微加工装置置径向和旋向矢量光径向和旋向矢量光场场飞飞秒脉冲秒脉冲纵纵向向电场电场激光激光烧蚀烧蚀熔融石英熔融石英！

NA=0.9矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用65纳纳米裂米裂纹纹垂直于局域垂直于局域线线偏振偏振场场的方向的方向！

用用飞飞秒脉冲矢量光秒脉冲矢量光场场在在单单晶硅片上感晶硅片上感应应二二维维微微结结构构Opt.Express20,120（2010）.66矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用光学捕获（Opticaltrapping）光学捕获（Opticaltrapping）Opt.Lett.37,1694（2012）.通通过过高度聚焦激光束高度聚焦激光束产产生力（量生力（量级级通常通常为为皮牛皮牛顿级顿级）移）移动动微小透明物微小透明物体体介电质颗粒会吸引到光束聚焦点中心单光束梯度力光阱矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用Phys.Rev.Lett.105,253602（2010）.67光学微操纵光学微操纵3.2m聚苯乙烯小球径向径向变变化化杂杂化偏振矢量光化偏振矢量光场场光学微操光学微操纵纵是利用光学的方法是利用光学的方法对对微微小小粒子粒子进进行精行精细细操作和特性研究的技操作和特性研究的技术术矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用偏振旋度所致的光学偏振旋度所致的光学轨轨道角道角动动量量n=100=0光的偏振同样可以影响光学各向同性的材料68矢量光矢量光场场：

概念、生成、：

概念、生成、传传播和播和应应用用超衍射极限聚焦超衍射极限聚焦利用纵向场实现超衍射极限聚焦NA:

0.9Phys.Rev.Lett.91,233901（2003）线偏振圆偏振径向偏振纵向场分量内内环环NA-NAmin外外环环NA-NAmaxOpt.Expre