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基于混合偏振矢量光束的光学囚笼研究

作　者: 刘海港
导　师: 杨艳芳
学　校: 上海大学
专　业: 无线电物理
关键词: 矢量光束 高数值孔径聚焦 光学囚笼
分类号: O436.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 2次
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内容摘要


随着对光束偏振性质认识的不断清晰，标量理论已经无法完全描述光束这种偏振性质，矢量光束的概念得以提出。矢量光束是指光束在垂直于传播方向的横截面上的各点的偏振行为不一致，无法用标量理论完全描述，而必须借助矢量理论的光场。矢量光束强聚焦后形成的光学囚笼可以对微小粒子捕获和操控。由于是使用无形的光束实现对微粒非机械接触的捕获，不会产生机械损伤，又由于所有机械部件离捕获对象的距离都远大于捕获对象的尺度，因而几乎不影响粒子的周围环境。所以在实验上产生矢量光束，强聚焦形成光学囚笼在粒子操纵领域具有重要的应用价值。本文主要完成了以下工作：一、实验上利用偏振转换器和空间光调制器（SLM）产生了矢量光束。将产生的矢量光束经过液晶相位延迟（LCVR）器后，通过实时改变延迟角从0到变化，可以实时地对产生的混合偏振矢量光束的偏振态进行控制。二、理论上提出了一种通过调节双环混合偏振矢量光束的偏振态来实现光学囚笼实时操纵的新方法。利用衍射积分公式数值模拟了双环混合偏振矢量光束经过强聚焦系统后在焦点附近的强度分布。数值结果显示当相位延迟角度为0时能形成光学囚笼，当相位延迟角度不是0时，能控制光学囚笼打开的程度。LCVR可以由外部电压实时控制使其相位延迟角度，这样就可以通过调节LCVR的外接电压实现焦平面光学囚笼的实时开和关。三、研究了贝塞尔高斯径向偏振光束在衍射光学元件(diffractive optical elements,DOE)的调制下入射到由两个相同高数值孔径透镜组成的4pi聚焦光学系统中的聚焦特性。Matlab数值模拟结果显示贝塞尔高斯径向偏振光束经过此光学系统后，在焦点附近产生沿光传播方向的多个光球，其光球的个数与DOE的环数以及不同环的大小有关。若调节4pi聚焦系统两侧入射光束的整体相对相位还可以实现多个光球整体沿纵向方向的移动，实现了亮光链的作用。四、在现有工作的基础上，展望了在实验室中实现对光束振幅、相位、偏振旋转和椭偏率的大小的局部控制。将两个SLM分成四个区域，分别控制光束的相位、振幅、偏振态的旋转以及椭圆偏振度的改变。给出了简单的理论依据和实验图。当调节精度达到SLM的像元大小时，可以用这种方法实现光束的单点控制。

全文目录


摘要  6-8
ABSTRACT  8-12
第一章 绪论  12-15
  1.1 课题来源  12
  1.2 课题研究的目的和意义  12-13
  1.3 国内外研究概况  13-14
  1.4 论文的主要研究内容  14-15
第二章 矢量光束简介  15-27
  2.1 矢量光束强聚焦特性  15-21
    2.1.1 矢量光束强聚焦模型  15-16
    2.1.2 矢量光束的各种聚焦特性  16-21
  2.2 矢量光束的产生实验  21-26
  2.3 本章小结  26-27
第三章 混合偏振矢量光束的产生实验  27-38
  3.1 产生混合偏振矢量光束的一般方法  27-30
    3.1.1 4f 系统中产生混合偏振光束  27-29
    3.1.2 两个偏振相互垂直的拉盖尔-高斯光束进行叠加  29-30
  3.2 利用偏振转换器与液晶相位延迟器产生  30-34
    3.2.1 液晶偏振转换器实现柱矢量光束的原理  30-32
    3.2.2 产生空间变化偏振态矢量光束的实验  32-34
  3.3 利用空间光调制器产生  34-37
    3.3.1 空间光调制器  34-35
    3.3.2 实验装置及混合偏振矢量光束的产生  35-37
  3.4 本章小结  37-38
第四章 混合偏振矢量光束强聚焦后光学囚笼的产生  38-43
  4.1 双环混合偏振矢量光束  38-39
  4.2 光学囚笼的产生  39-40
  4.3 光学囚笼的实时操纵  40-42
  4.4 本章小结  42-43
第五章 4pi 聚焦系统中光球的产生  43-49
  5.1 4pi 聚焦系统  43-44
  5.2 多光球的产生  44-47
  5.3 光球的移动  47-48
  5.4 本章小结  48-49
第六章 结论与展望  49-54
  6.1 结论  49
  6.2 展望  49-54
    6.2.1 矢量光束相位、振幅、偏振的控制  50-53
    6.2.2 矢量光束强聚焦特性的进一步研究  53-54
参考文献  54-60
作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文  60-61
作者在攻读硕士学位期间所作的项目  61-62
致谢  62

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 光学 > 物理光学（波动光学） > 偏振与色散
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