矢量光場(chǎng)波前調(diào)控方法及應(yīng)用研究.pdf

1、光場(chǎng)存在兩個(gè)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(gè)重要性質(zhì)。所謂的矢量光場(chǎng)就是指同一波振面上不同位置具有不同偏振態(tài)的光場(chǎng)。隨著近年來(lái)對(duì)矢量光場(chǎng)研究的不斷深入，光的這種矢量性質(zhì)以及矢量光場(chǎng)與物質(zhì)的相互作用已經(jīng)成為光學(xué)檢測(cè)和計(jì)量、顯示技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、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?jī)?nèi)容。其中矢量光場(chǎng)通過(guò)散射介質(zhì)的聚焦已經(jīng)成為光學(xué)測(cè)量和成像研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)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(chǎng)以及如何調(diào)控通過(guò)散射介質(zhì)后光場(chǎng)的偏振態(tài)是該研究領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的一個(gè)研究?jī)?nèi)容。
　　本文針對(duì)矢量光場(chǎng)的產(chǎn)生和波前調(diào)控方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　1.對(duì)矢量光場(chǎng)調(diào)控及其應(yīng)用的基本概念、研究背景、最新進(jìn)展及存在的問(wèn)題進(jìn)行了綜述和分析。重點(diǎn)歸納了基于空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)矢量光束波前調(diào)控和實(shí)現(xiàn)矢量光場(chǎng)通過(guò)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(chǎng)的數(shù)學(xué)描述方法并給出了一種模擬矢量光場(chǎng)在均勻空間衍射和傳輸?shù)挠?jì)算方法。由于矢量光束的偏振態(tài)可以用 Jones基元進(jìn)行表征，因此本章利用Jones矩陣對(duì)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(duì)矢量光場(chǎng)的衍射特性進(jìn)行了計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬。最后，基于矢量衍射理論對(duì)徑向矢量光場(chǎng)的聚焦特性進(jìn)行了理論分析和計(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)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(jiǎn)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(jì)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(shí)驗(yàn)測(cè)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(duì)入射光場(chǎng)的偏振態(tài)是敏感的，并且透過(guò)散射介質(zhì)的光場(chǎng)的偏振態(tài)也會(huì)發(fā)生改變。此時(shí)，對(duì)應(yīng)散射介質(zhì)入射面上的一個(gè)入射基元，散射介質(zhì)的透射特性需用一組Jones矩陣參量來(lái)表征。本項(xiàng)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(cè)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(jì)并實(shí)驗(yàn)建立了一種新型矢量透射矩陣測(cè)量系統(tǒng)；利用該系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)現(xiàn)通過(guò)散射介質(zhì)的矢量光場(chǎng)聚焦控制新方法，并給出實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。該方法采用矢量空間光調(diào)制器對(duì)入射光場(chǎng)的振幅、相位和偏振分布進(jìn)行綜合動(dòng)態(tài)調(diào)控，從而進(jìn)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(cè)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(chǎng)的入射矢量光場(chǎng)的振幅、相位和偏振分布的算法并實(shí)驗(yàn)研究了不同散射介質(zhì)的矢量光場(chǎng)聚焦特

7、性。
　　6.進(jìn)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(yàn)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(jiǎn)化了光路同時(shí)提高了矢量光束的質(zhì)量，但是在不同波長(zhǎng)或超短脈沖方面也存在一些缺點(diǎn)。由于寬帶薄膜偏振分光棱鏡對(duì)波長(zhǎng)不敏感，偏振分束角可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)反射鏡來(lái)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(gè)