可变光阑对焦深影响的探究.pdf
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1、第 卷 第 期 激 光 与 红 外 ,年 月 ,文章编号:()光学技术可变光阑对焦深影响的探究石琛琛(天津师范大学物理与材料科学学院,天津 )摘要:传统的标量光场其偏振态空间均匀分布,而矢量光场相较于标量光场其偏振态是空间变化的。这个空域变化的偏振特性使得矢量光场具有更大的调控自由度,在焦场设计、光学微操纵、微加工、以及量子信息领域有着潜在的应用。本文基于 矢量衍射理论,研究了可变光阑以及透镜数值孔径对双环角向偏振光束聚焦特性的影响。结果表明,通过改变光阑大小以及透镜数值孔径,不仅可以改变焦斑光强、焦斑大小,也可以显著改变焦场暗通道的长度,从而生成较长的暗通道。生成的可变焦场暗通道未来可用于光
2、学微操纵以及微加工的应用中。关键词:积分;双环角向偏振光束;焦深;拉盖尔高斯光束中图分类号:;文献标识码:作者简介:石琛琛,女,硕士,主要从事光学技术研究。:收稿日期:;修订日期:(,):,:;引言传统的标量光场通常其偏振态是空间均匀分布的,而矢量光场相较于标量光场其代表光矢量特性的偏振态在空间是不均匀分布的。这种偏振态空域变化的矢量光场与传统标量光场相比,赋予了矢量光场许多新奇的特性。如径向偏振光场的聚 焦 焦 斑 与 标 量 光 场 聚 焦 的 焦 斑 相 比 更小 、角向偏振光场聚焦后在焦场区域得到中空且沿光轴具有暗通道的横向光场、以及矢量光场在激光加工方面与标量光场有着明显不同的特性等
3、,这使得矢量光场在许多领域受到越来越多的关注。其中,轴对称矢量光场是矢量光场中一种较为简单也比较特殊的光场,和光路系统中常用的透镜一样沿着光轴具有轴对称性,轴对称的矢量光场在垂直于光轴的横截面上其偏振态也呈轴对称分布。轴对称矢量光场包括径向偏振光、角向偏振光与广义轴对称矢量偏振光。作为矢量光场中最为特殊的光场,同样因为其不同寻常的性质受到广泛的关注 。研究表明,径向偏振光场经透镜紧聚焦后可以在焦场范围内产生非常强的纵向电场分量 。年,等人发现径向偏振光通过一个具有五环带结构的位相型二元光学元件的径向调制后,在焦场处可以生成一个纵向场焦深达 的亚波长光针 。随后,匡翠方等人使用双光束进行聚焦,产
4、生了一个纵向场聚焦深度超过 的亚波长光针 。此外,研究了角向偏振光场的紧聚焦问题,发现在焦场区域出现了一个带有亚波长焦孔的暗通道 。随后,蒲继雄等人利用双环角向偏振光生成了一个焦深约为 的暗通道 。这种焦场区域具有暗通道的光场通常也被称为光瓶光束,可以用于光镊或是原子阱 。本文围绕着双环角向偏振光场的聚焦展开研究,系统研究了由可变光阑实现的外围遮挡以及透镜数值孔径对焦场关键参数,如暗通道的焦深、光斑全宽、以及光强的影响。原理 矢量积分是研究不同类型矢量光场经透镜紧聚焦后焦场分布的理论基础 。根据 矢量衍射理论,角向偏振光束在经过数值孔径为 的透镜聚焦时,焦点附近的电场可以写为:,()()()(
5、)其中,为柱坐标系的三个变量;为入射光束的发散角;()为最大数值孔径角;为折射率,为 与 之比;()为入射光束在透镜光阑面的瞳孔切趾函数;为振幅参数;为入射光波的波矢;为入射光波的波长;为第一类贝塞尔函数。本文采用具有角向偏振的拉盖尔高斯光束作为入射光束,其透镜光阑面的瞳孔切趾函数的角谱形式可以表示为 :()()()()其中,为物镜光瞳直径与光瞳前光束直径的比值,为广义拉盖尔多项式。当 时,入射光束为双环角向偏振光束,如图 所示,为透镜的焦距。图 双环形角向偏振光束的聚焦示意图 根据式()和(),可以计算出双环角向偏振光束在不同外围遮挡参数 与透镜数值孔径 的情况下光场强度在焦场附近的分布,特
6、别是 与 对双通道焦场分布的影响。简单起见,所有长度单位都以波长为单位,所以,其余参数,。对于暗通道光场的焦深,我们以焦场暗通道最近邻光强最大值沿着轴向降低到其 的全宽表示为焦场暗通道的焦深长度。结果与讨论我们首先研究孔径光阑 大小对双环角向偏振光场聚焦后焦场分布的影响。图 给出了不同 值情况下,聚焦场在 平面的光场强度分布图 ()()为用高 透镜聚焦的双环角向偏振光束 平面的强度分布;其余参数 ,。图 ()为 激 光 与 红 外 石琛琛等可变光阑对焦深影响的探究 时光斑全宽、焦深与最大光强随 的变化图(已归一化)。从图中我们可以看出,当 时,即没有遮挡的情况,此时暗通道可以形成,但暗通道的焦
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