CN109239915A - 一种产生汉堡包型聚焦光场的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汉堡包形聚焦光场的方法，属于光学光束整形及光束微操控领域，包括三个步骤：第一，根据Richard‑Wolf矢量衍射理论，积分描述光束聚焦的衍射传播行为，建立起聚焦场与入射场之间的关联；第二，数学描述不同偏振态的矢量光束，理论分析其紧聚焦特性，并进行数值仿真；第三，设置数值孔径矢量光束入射角度、径向指数、旋转角度，产生汉堡包型聚焦光场。以本发明为基础设计得到的亚波长级直径的“汉堡包”双光管，可应用于原子囚禁、光学微操纵以及光学成像等领域。

Description

一种产生汉堡包型聚焦光场的方法

技术领域

本发明属于光场设计与光学微操纵领域，特别涉及一种产生汉堡包型聚焦光场的方法。

背景技术

矢量光场具有新奇的紧聚焦特性，调控光场的参量，可以获得特定形态的光场，利用其时空演化特性，可以产生不同的物理效应。2008年以来，矢量光束的聚焦问题引起科学界的广泛关注，成为国际前沿热点研究课题之一。通过调控光场的不同参量，获得特殊形态的光聚焦场，具有重要的科学研究价值，其在光学微操纵、原子囚禁以及光学成像等领域具有重要应用。

现如今，随着激光技术的发展进步，人们在探测和感知物质世界的过程中逐步认识到，光子作为信息载体，其新现象、新效应、新应用的探索对当前的科学研究、技术开发以及国防、经济、医学等领域都具有重要意义。如何实现光子作为信息载体的优势，矢量光场的调控是关键。光场参量的常规调控主要涉及相位和振幅，针对的是空间均一分布的偏振光场(如线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光)或非偏振光场。这类标量属性的光场已被深入地研究，对光场振幅和位相的调控研究也已经有了较长的历史，各种技术相对成熟，调控相对容易，并在信息领域获得了广泛的实际应用。然而与标量光场相比，偏振态在空间非均匀分布的光场具有显著的矢量属性，该类矢量光场在时空演化以及与物质相互作用方面蕴藏更丰富的物理效应，并且偏振自由度的引入以及新颖动量和角动量的出现，打破单一参量调控的局限，使得光场空域调控涉及偏振态、位相和振幅以及多参量联合调控，对光场的研究和利用也提供了新的途径和技术。

调控光场的参量，可以获得特定形态的光场，利用其时空演化特性，可以产生不同的物理效应。偏振态随空间变化的光束被透镜聚焦时可形成具有复杂结构的焦场，其性质与入射光束的偏振分布密切相关，研究混合型矢量光束的紧聚焦特性具有重要的科研价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种产生汉堡包型聚焦光场的方法，采用混合型矢量光束入射，通过光针场与光管场的叠加，计算产生一种新型光焦场——“汉堡包”。

实现本发明目的的技术方案为：一种产生汉堡包型聚焦光场的技术方案，包括以下步骤：

步骤1，数学描述混合型矢量光束聚焦后的衍射传播行为，利用矢量衍射积分建立聚焦场与入射场的关联；

步骤2，数学描述不同偏振态的矢量光束，理论分析其紧聚焦特性，并进行数值仿真；

步骤3，设置数值孔径矢量光束入射角度、径向指数、旋转角度，产生汉堡包型聚焦光场。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明采用径向和旋向偏振光，通过程序模拟其聚焦过程，计算产生光针场与光管场，在此基础上分析混合型矢量光束的紧聚焦特性，调控光场参数实现两特殊光焦场的叠加，产生一种“汉堡包”形的新型光焦场，新颖特殊，具有新奇的效应与应用，可应用与实现原子囚禁、光学微操纵以及光学成像等。

附图说明

图1为本发明产生汉堡包型聚焦光场的方法流程图。

图2为径向和旋向偏振光示意图。

图3为混合型矢量光束聚焦系统示意图。

图4为径向偏振光作为入射光束的光强分布图。

图5为旋向偏振光作为入射光束的光强分布图。

图6为采用本发明产生的汉堡包型光焦场的光强分布图。

具体实施方式

一种产生汉堡包型聚焦光场的方法，包括如下步骤：

步骤1，数学描述混合型矢量光束聚焦后的衍射传播行为，利用矢量衍射积分建立起聚焦场与入射场的关联；

步骤2，数学描述不同偏振态的矢量光束，理论分析其紧聚焦特性，并进行数值仿真；

步骤3，设置数值孔径NA、矢量光束入射角度phi、径向指数h、旋转角度进行调控，产生汉堡包型聚焦光场。本发明中所述汉堡包型聚焦光场如图6所示，是一种三层光场结构。

步骤1中，矢量光束的衍射传播行为根据Richard-Wolf衍射理论来描述。

入射场为：

其中，E_ρ为径向分量；为旋向分量；为单位矢量；ρ、为柱坐标系坐标变量，ρ为光束到坐标原点的距离，为光束偏离光轴的角度；

所述步骤一中，Richard-Wolf衍射理论中极坐标和直角坐标的变换关系为：

为单位矢量；

步骤1中，利用矢量衍射积分建立起聚焦场与入射场的关联：

式中：r、φ、z为柱坐标单位分量，k为振幅系数，为柱坐标系单位矢量，θ为入射角度，α为最大积分角，f为透镜焦距，P(θ)为切趾函数，为积分微量；

步骤2中，在分析矢量光束的紧聚焦特性时，分析两种典型矢量光束：径向偏振光和旋向偏振光；数值仿真两种典型矢量光束的紧聚焦特性。

基于Richard-Wolf衍射理论，在分析矢量光束的衍射传播行为时，采用混合偏振型矢量光束作为入射光表达式为：

E_x(θ)＝A₀exp[i(2hπf sinθ₀/r₀+α₀)]

E_y(θ)＝A₀exp[i(-2hπf sinθ₀/r₀+α₀)]

式中，E_x、E_y为x、y方向光矢量分量，A₀为与光强相关的常数，h为径向指数，θ₀是入射光与光轴夹角，f为透镜焦距，r₀是入射光的半径，光束横截面中任一点与中心的距离r＝f tanθ，α₀为初始相位。

在混合偏振光的基础上加上一个“旋转”操作，得到柱矢量光束：

为初始角度，为旋转角度；

步骤3中，设置数值孔径NA＝0.74、径向指数h＝0.3，改变矢量光束入射角度phi、和旋转角度等相关参数进行调控，产生“汉堡包”形光焦场。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

实施例

如图1所示，本发明包括三个步骤：第一，根据Richard-Wolf矢量衍射理论，积分描述光束聚焦的衍射传播行为，建立起聚焦场与入射场之间的关联；第二，数学描述不同偏振态的矢量光束，理论分析其紧聚焦特性，并进行数值仿真；第三，设置数值孔径、矢量光束入射角度、径向指数等相关参数进行调控，产生汉堡包型聚焦光场。

入射光场为：

如图2所示，入射光通过高数值孔径透镜，聚焦形成特殊光场，利用Richard-Wolf矢量衍射理论进行光场传播分析

根据Richard-Wolf矢量衍射理论，聚焦场平面内任意一点位置处电场E的各直角分量为

式中，分别是x方向、y方向、z方向分量，r、φ、z为柱坐标单位分量，α为最大积分角，f为透镜焦距，P(θ)为切趾函数，为积分微量；

径向偏振入射光为

旋向偏振入射光为

J₀、J₁、J₂分别是第一类零阶、一阶和二阶贝塞尔函数，j是虚数单位，E₀为光矢量初值，ρ₀为物镜入瞳半径，β₀＝1.5；

光场强度分布为：

如图4、5，设置相关参数，数值孔径NA为0.74，n₁＝1，n₂＝3.42，编程仿真，采样数为512*512，分别得到径向光束的聚焦光强和旋向光束的聚焦光强

如图3，混合偏振型矢量光束的表达式为：

E_x(θ)＝A₀exp[i(2hπf sinθ₀/r₀+α₀)]

E_y(θ)＝A₀exp[i(-2hπf sinθ₀/r₀+α₀)]

极坐标和直角坐标变换关系为：

在混合矢量光束表达式基础上加上一个“旋转”操作，得到柱矢量光束：

是误差函数，d为焦点与界面的距离，n₁、n₂为不同介质折射率；

如图6，设置相关参数，编程仿真，采样数为512*512，得到“汉堡包”型聚焦光场的光强分布图；

由此获得入射光的偏振态分布，通过高数值孔径物镜聚焦后，可以获得“汉堡包”型聚焦光场。

Claims (5)

1.一种产生汉堡包型聚焦光场的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，数学描述混合型矢量光束聚焦后的衍射传播行为，利用矢量衍射积分建立聚焦场与入射场的关联；

步骤2，数学描述不同偏振态的矢量光束，理论分析其紧聚焦特性，并进行数值仿真；

步骤3，设置数值孔径矢量光束入射角度、径向指数、旋转角度，产生汉堡包型聚焦光场。

2.根据权利要求1所述产生汉堡包型聚焦光场的方法，其特征在于，步骤1中，入射场为：

其中，ρ、为柱坐标系坐标变量，ρ为光束到坐标原点的距离，为光束偏离光轴的角度，E_ρ为径向分量，为旋向分量，为单位矢量；

矢量光束聚焦后的衍射传播行为根据Richard-Wolf衍射理论来描述，Richard-Wolf衍射理论中极坐标和直角坐标的变换关系为：

为单位矢量；

利用矢量衍射积分建立起聚焦场与入射场的关联：

式中，r、φ、z为柱坐标单位分量，k为振幅系数，为柱坐标系单位矢量，θ为入射角度，α为最大积分角，f为透镜焦距，P(θ)为切趾函数，为积分微量。

3.根据权利要求1所述产生汉堡包型聚焦光场的方法，其特征在于，步骤2中，在分析矢量光束的紧聚焦特性时，分析两种典型矢量光束：径向偏振光和旋向偏振光，数值仿真两种典型矢量光束的紧聚焦特性。

4.根据权利要求3所述产生汉堡包型聚焦光场的方法，其特征在于，基于Richard-Wolf衍射理论，在分析矢量光束的衍射传播行为时，采用混合偏振型矢量光束作为入射光表达式为：

E_x(θ)＝A₀exp[i(2hπfsinθ₀/r₀+α₀)]

E_y(θ)＝A₀exp[i(-2hπfsinθ₀/r₀+α₀)]

式中，E_x、E_y为x、y方向光矢量分量，A₀为与光强相关的常数，h为径向指数，θ₀是入射光与光轴夹角，r₀是入射光的半径，光束横截面中任一点与中心的距离r＝ftanθ，α₀为初始相位，f为透镜焦距；

在混合偏振光的基础上加上一个“旋转”操作，得到柱矢量光束：

为初始角度，为旋转角度。

5.根据权利要求1所述产生汉堡包型聚焦光场的方法，其特征在于，步骤3中，设置数值孔径NA＝0.74、径向指数h＝0.3，改变矢量光束入射角度phi、和旋转角度进行调控，产生汉堡包型聚焦光场。