（光学专业论文）轴对称光束性质及应用研究.pdf

中田科学技术大学硕l 学位论文 摘要 摘要 轴对称光束是一神特殊的矢量缡振光束，其振幅和偏振态在光束横截面上的 分布呈现轴对称性，是m a x w e l l 方程组在柱坐标下的特征解。由于轴对称光束特 殊的矢量偏振性质，近年来对于它的理论性质及实验研究渐渐开展起来。 本论文以轴对称光束的理论与应用为主要内容，涉及以下几个方面的内容： 1 、轴对称光束在高数值孔径聚焦系统中的传输特性 高数值孔径聚焦轴对称光束具有特殊的矢量聚焦性质，例如会在焦点附近产 生很强的纵向光场，并得到超越衍射极限的超小焦斑等。轴对称光束的这些特殊 性质使之可能应用于高密度光学存储、超清晰光学成像，多功能光学捕获等众多 领域，已经引起了人们的极大兴趣。 2 、优化设计d o e 实现多功能锻光操作 对微粒进行多点光捕获一直足微光学操作领域备受关注的话题。在以往的报 导中，利用不同阶数的b e s s e l 光、l g 模的干涉和高斯驻波等多种方法均可产生 多点光捕获结构，但是这些方法都不能提供三维稳定捕获，或者不能捕获波长尺 度的微小粒子，而且都需要多束入射光的参与。衍射光学元件( d o e ：d i f f r a c t i v e c p t i c a le l e m e n t s ) 可以对光波面进行整形，产生一般传统光学元件不能实现的光 波面。利用d o e 调制单束径向轴对称光的入射波前，在焦点附近能够产生特殊 的光学结构沿光轴方向的三维“光链”。光链中的明亮部位能够对折射率比 周围环境商的多个微粒进行捕获，而中空的暗区能够对折射率比周围环境低的多 个微粒进行捕获，并且每个被捕获的粒子都能够稳定地被局限在各个势阱之中。 此外，由于光轴附近的纵向能流接近于零，光链还能够稳定的捕获会属r a y l e i g h 粒子。 3 、高数值孔径聚焦系统的g o u y 相位 高数值孔径聚焦光场焦点附近会产生位相畸变。称为g o u y 相位。对g o u y 相位的研究有助于揭示轴对称光聚焦系统焦点附近特性的形成原因，诸如“光 泡”、“光链”等。 关键词：轴对称光束，矢量偏振，衍射光学元件，微光操作 中困羊 学技求人学f 晚l 学位论文摘要 a b s t r a c t c y l i n d r i c a lv e c t o rl i g h tb e a mi s o n es p e c i a lk i n do fv e c t o rp o l a r i z e db e a m s ， w h i c hi sas o l u t i o no fm a x w e l le q u a t i o n si nc y l i n d r i c a lc o o r d i n a t e ，w i t hac y l i n d r i c a l s y m m e t r yd i s t r i b u t i o no ft h ee l e c t r i c a lv e c t o ri nt h ep l a n eo f t h eb e a mc r o s ss e c t i o n b e c a u s eo ft h ep e c u l i a rv e c t o r i a lp o l a r i z e dp r o p e r t yo fc y l i n d r i c a lv e c t o rb e a m ，t h e r e s e a r c ho nc y l i n d r i c a l v e c t o rb e a mh a sb e c o m ep o p u l a rm o r ea n dm o r ei nr e c e n t y e a r s i nt h i st h e s i s ，w ew i l ld i s c u s st h e o r i e sa n da p p l i c a t i o n sa b o u tc y l i n d r i c a lv e c t o r b e a m t h ec o n t e n ti sm a i n l ya b o u t ： 1 p r o p e r t i e so fc y l i n d r i c a lv e c t o rb e a mt r a n s m i s s i o ni nh i g hn as y s t e m h i g hn a f o c u s e dc y l i n d r i c a lv e c t o rb e a mw i l ls h o ws o m ep e c u l i a rp r o p e r t i e s f o r e x a m p l e ，ak i n do f v e r ys t r o n gl o n g i t u d i n a lo p t i c a lf i e l dw i l lb eg a i n e di nf o c a lr e g i o n ， a n da nu l t r a - s m a l lf o c a ls p o t ，w h i c hb e y o n dt h ed i f f r a c t i o nl i m i t ，w i l lb eg a i n e da l s o t h e s ep e c u l i a rp r o p e r t i e sm a k ec y l i n d r i c a lv e c t o rb e a ma v a i l a b l ei nm a n yd o m a i n s ， s u c ha sh i g hd e n s i t yo p t i c a ls t o r a g e ，h y p e r f i n eo p t i c a li m a g i n a t o n ，m u l t i f u n c t i o n o p t i c a lt r a p p i n g ，a n ds oo n c y l i n d r i c a lv e c t o rb e a mh a sa t t r a c t e dp e o p l e si n t e r e s t m o r ea n dm o r e 2 t h ed e s i g no fd o ef o ra p p l i c a t i o nf o ro p t i c a lm a n i p u l a t i o n t h et r a p p i n ga n dm a n i p u l a t i o no ft i n yp a r t i c l e si sa l w a y sah o tt o p i ci no p t i c a l m a n i p u l a t i o nr e g i o n s c i e n t i s t sh a v ef o u n ds o m ew a y s t og e n e r a t et h eo p t i c a lt r a p p i n g s t r u c t u r e s ，s u c ha su s i n gb e s s e ll i g h tb e a m sw i t hd i f f e r e n tg r a d e s ，t h ei n t e r f e r e n c eo f l gm o d e s ，u t i l i z i n gg a u s ss t a n d i n gw a v e ，a n ds oo n b u ta l lt h e s em e t h o d s m e n t i o n e da b o v ec a n te i t h e rp r o v i d es t a b l e3 dt r a p p i n go rt r a pt i n yp a r t i c l e ss m a l l e r t h a nw a v e l e n g t h a n da l lt h e s em e t h o d sn e e dm u l t i b e a m s d i f f r a c t i v eo p t i c a l e l e m e n t s ( d o e ) c a nb eu s e dt or e s h a p et h ew a v e f r o n to fl i g h tb e a mi n t oa n yf o r m b e y o n dt h ea b i l i t yo ft r a d i t i o n a lo p t i c a le l e m e n t s u s i n gd o et om o d u l a t et h e w a v e f r o n to fi n c i d e n tc y l i n d r i c a lv e c t o rb e a m s ，w ec a ng a i nap e c u l i a ro p t i c a l 生璺壁兰苎查查兰竺：! 竺堡丝苎一! ! 兰 s t r u c t u r ei nf o c a lr e g i o n ，3 do p t i c a lc h a i na l o n ga x i s t h eb r i g h tp a r to ft h ec h a i n c a nt r a pt h ep a r t i c l e sw h i c hr e f r a c t i v ei n d e xg r e m e rt h a ne n v i r o n m e n t ，a n dt h eh o l l o w d a r kp a r tc a nt r a pt h ep a r t i c l e sw h i c hr e f r a c t i v e i n d e xl e s st h a ne n v i r o n m e n t a d d i t i o n a l l y b e c a u s eo ft h e l o n g i t u d i n a le n e r g y f l o wa l o n gt h eo p t i c a la x i s a p p r o a c h e st oz e r o ，o p t i c a lc h a i n c a nt r a pm e m lr a y l e i g hp a r t i c l e ss t a b l y - 3 t h eg o l l yp h a s eo fh i g hn as y s t e m t h e p h a s ea b e r r a n c ew i l lo c c u ri nf o c a lr e g i o no fh i g hn a f o c a ls y s t e m ，w h i c hi s c a l l e dg o u yp h a s e t h es t u d yo fg o u yp h a s ew i l lh e l pe x p l a i nt h ep e c u l i a rp r o p e r t i e s o f h i 曲l yf o c u s e dc y l i n d r i c a lv e c t o rb e a m - k e y w o r d s ：c y l i n d r i c a lv e c t o rb e a m ，v e c t o rp o l a r i z a t i o n ，d o e ，o p t i c a lm a n i p u l a t i o n 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子舨，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：篮：，乏 如7 年_ t 月f9 日 中国科学技术大学颁 学位论文 第一奄绪论 第一章绪论 轴对称光束是一种特殊的矢量偏振光束。其振幅和偏振态在光束横截面上的 分布呈现轴对称性，是m a x w e l l 方程组在柱坐标下的特征解。由于矢量偏振光束 特殊的矢量偏振性质，近年来对于它的理论性质及实验研究渐渐开展起来。 1 1 轴对称光束简介 偏振态是光束的重要性质之一，而过去的研究通常只涉及偏振念在空自j 均 匀的光束。如果能够对光束的偏振态进行设计，使其不再是空间上简单的均匀 分布，将会发现大量的新现象并进而使光学系统的性能得到显著增强，功能得 到显著丰富。矢量偏振光束就是一种偏振态空间非均匀光束。轴对称光束1 是 矢量偏振光束的一种。它的偏振及位相在光束横截面上呈轴对称分布，是麦克 斯韦方程组在柱坐标系中的特征解。因为原点处偏振方向的不确定性导致在原 点处的强度存在奇点。因为轴对称光束空间偏振的特殊对称性，本论文将主要 研究轴对称光束的性质、产生方法和相关应用。 轴对称光束根据其偏振方向可以分为三类： 1 、径向偏振光，这种光束可以认为是t m o i 模。偏振方向如图l l 所示，沿着 径向方向，数学表达式为： e ( r ，) = e 0 ( r ) e o s br j + s i n 庐刃= 磊( ，) ， 公式i - 1 其中( r ) 代表光场的振幅，根据麦克斯韦方程所求出的解具有b e s s e l g a u s s 函 数的形式。 图l - i 径向轴对称光束横攘面卜电场矢量分布 中囝科学技术犬学硕 。学位论义第一章绪论 2 、角向偏振光，这种光束可以认为是t e o i 模。偏振方向如图1 - 2 所示，沿着角 向方向，数学表达为： e ( r ，妒) = 岛( ，) 【一s i n 庐量+ c o s 多】= 岛( ，) 乒 公式i - 2 雕i - 3 广义轴对称偏振光束横截面卜电场矢量分布 1 2轴对称光束的研究背景及现状 作为一种特殊的光束，轴对称光在理论研究和实际应用两方面都吸引了越来 越多的注意力。光纤中t e o l 和t m o l 的特殊性质很早就被人们关注，因为它们具 有有限截止频率，而且电场分布是对称的。不同于普通的“t e m ”模式，这两 种模式具有严格的横向电场和横向磁场。特别是在中空圆形的金属波导当中。由 于这两种模式损耗的理论计算值很低，所以其可能成为光传输最理想的模式2 。 中田科学技术人学颂i 掌位论文第一帝绪论 例如在旋转的天线系统中这种模式强烈的辐射能够产生高浓度等离子线。为了 丌展轴对称光束的性质及应用的研究，早期物理学家已经致力于在实验上产生这 种光束。最早产生这种光束的装置是利用红宝石激光器，在谐振腔中加入光阑和 光瞳使t e o l 和t m o l 模自皂够在谐振腔内产生谐振，然后利用方解石双折射晶体把 其中的一个模式选择出来3 ，如图1 - 4 所示，在此双折射晶体中o 光是角向偏振 光束，而e 光则是径向偏振光束。 o p t i ca x i s a p e r t u 睫lc a l c i t elo - 5 ”r u b y + s t o pl t e l e s c o p e js w i t c h 圈1 4 红宝石激光器产生轴对称光束实验装置图 作为麦克斯韦方程在柱坐标系下的旁轴近似解，轴对称光束越来越多的特性 被研究发现。从麦氏方程组出发，可以得到一系列高阶模，其在真空中的衍射问 题引起了人们的兴趣。而角向偏振光束在自由空间中的传输不论是近场还是远场 都保持着中空的强度分稚4 , 5 0 当光束强会聚时，必须考虑各个偏振分量方向的改变，并把方向相同的偏振 分量分别进行叠加。此时焦点及焦点附近的光场分布要利用矢量d e b y e 积分加 以分析“7 。角向偏振光束经过强聚焦以后依然保持着中空的强度分布，其偏振 方向在对应位置并不改变。而径向偏振光束经过强聚焦以后会在光轴上产生很强 的纵向光场o9 ，这是径向偏振光束聚焦的去偏振效应。这与原子辐射场具有很 大的相似性。承j 用径向偏振光束韵纵向光场可以得到很小的聚焦场播。此外径向 偏振光束在介质界面。2 3 及固体浸没透镜系统当中的传输特性1 4 以及其在聚 焦系统中焦点的移动”等方面的研究在有关文献中也做了介绍。 近年来，轴对称光束产生方法的研究已成了一个热门话题。除了上面介绍的 红宝石激光器双折射晶体选模法外，产生轴对称光束的方法层出不穷。归纳起来， 主要包括两大类，种是主动方法，原理就是在谐振腔内利用特殊的装旨来选模， 例如在固体激光器1 6 , 1 7 , 染料蝎，气体旧及半导体2 0 激光器中都能通过模式选择 得到轴对称光束。另一种方法是被动方法，其原理是利用一般的线偏振光。并借 中国羊 学技术大学碳l 。学位论文 第一章绪论 助腔外的设计元件转化得到。如液晶偏振转换器法2 1 2 2 ，干涉方法2 3 2 4 ，计算 全息光栅法2 5 ，光纤激发法2 6 ”。双折射晶体产生方法28 ，锥形布儒斯特窗法 2 9 3 0 等等。 由于具有普通光束没有的特殊性质，轴对称光束在很多的方面得到了应用。 如超高分辨率显微镜及全息术3 1 ，频率移动3 2 ，电子加速3 3 ，材料处理3 4 ，高分 辨度量3 5 等。如果利用衍射光学元件( d o e ) 调制轴对称光束的波前，在高聚 焦系统焦点附近能够产生一种结构非常特殊且可控的光场分布“光泡”和沿光 轴方向的三维“光链”。“光泡”和“光链”作为一种特殊的光阱3 6 , 3 7 可以用来 实现对冷原子的束缚，并可以有效减少由于光散射引起的原子加速，从而提高捕 获的稳定性。 在非线性光学研究当中，轴对称光束的自聚焦性质很早就被人们发现弛，它 特有的强纵向电场对光的非线性传输具有很大的影响。在非线性光纤中，当色散 与非线性引起的自聚焦效应相平衡时，能够诱导产生这种模式，因而它们被叫做 自陷光束3 9 。只是t e o l 模式的自陷并不稳定，只有在临界功率时才能够稳定。 而t m o t 模式在一个连续且很宽泛的功率谱范围内都是稳定的，此种性质使其能 够在多模光纤中被用于单模光信号传输。 1 3 本论文主要研究内容 本论文主要探讨轴对称光束的性质、产生、传输特性以及在光学微操作、平 项光束等领域的应用。论文主要内容安排如下： 第二章主要论述了轴对称光束的几种较典型的产生方法，并且对各种方法的 特点做个比较。第三章详细讨论了轴对称光束的传输特性。即它的高数值孔径 ( n a ：n u m e r i c a la p e r t u r e ) 聚焦特性，并重点讨论传输中的g o u y 位相。第四章 介绍了优化设计d o e 调制轴对称偏振光束，使之产生特殊的反向光镊一“光泡” 和“光链”，用于捕获不同性质、大小、及数目的微粒。第五章介绍了轴对称光 束用于“平顶”光束整形方面的内容。第六章对论文中的研究工作做个总结，并 对轴对称光束的研究趋势作出预测与展望。 中国科学技术大学硕卜学位论文 第一帝绪论 参考文献 1 k s y o u n g w o r t ha n dt gb r o w n , “f o c u s i n go fh i g hn u m e r i c a la p e r t u r ec y l i n d r i c a lv e c t o r b e a m s ，”o p t i c se x p r e s s7 ，7 7 ( 2 0 0 0 ) 2 e a j m a r c a t i l ia n dr a s c h m e l t z e r , “h o l l o wm e t a l l i ca n dd i e l e c t r i cw a v e g u i d e sf o rl o n g d i s t a n c eo p t i c a lt r a n s m i s s i o na n dl a s e r s ，”b e l ls y s t t e c h j 4 3 ，t 7 8 30 9 6 4 ) 3 d p o h l o p e r a t i o no f ar u b yl a s e ri nt h ep u r e l yt r a n s v e r s ee l e c t r i cm o d et e 0 1 ，”a p p l p h y s l e t t 2 0 ，2 6 6 ( 1 9 7 2 ) 4 c j r s b e p p a r da n ds s a g h a f i t r a n s v e r s e e l e c t r i ca n dt r a n s v e r s e m a g n e t i cb e a mm o d e s b e y o n dt h ep a r a x i a la p p r o x i m a t i o n , 0 p t l e f t2 4 1 5 4 3 ( 1 9 9 9 ) 5 r h jj o r d a na n dd g ，h a l l “f r e e s p a c ea z i m u t h a lp a r a x i a lw a v ee q u a t i o n ：t h ea z i m u t h a l b e s s e l - g a u s sb e a ms o l u t i o n ，”o p t l e t t1 9 , 4 2 7 ( 1 9 9 4 ) 6 b r i c h a r d sa n de w o l f , “e l e c t r o m a g n e t i cd i f f r a c t i o ni no p t i c a ls y s t e m si i s t r u c t u r eo ft h e i m a g ef i e l di na na p l a n a t i cs y s t e m ，p r o c r o y s o c a2 5 3 ，3 5 8 ( 1 9 5 9 ) ， 7 e w o l k “e l e c t r o m a g n e t i cd i f f r a c t i o ni no p t i c a ls y s t e m si a ni n t e g r a lr e p r e s e n t a t i o no f t h ei m a g ef i e l d ，”p r o c r s o c s e t a 2 5 3 ，3 4 9 ( 1 9 5 9 ) 8 k s y o u n g w o r t ha n dt gb r o w n ，“f o c u s i n go fh i g hn u m e r i c a la p e r t u r ec y l i n d r i c a lv e c t o r b e a m s ，”o p t i c se x p r e s s7 ，7 7 ( 2 0 0 0 ) 9 q z h a na n dj r l e g e r , “f o c u ss h a p i n gu s i n gc y l i n d r i c a lv e c t o rb e a m s ，”o p t i c se x p r e s s1 0 ， 3 2 4 ( 2 0 0 2 ) 1 0 。s q u a b i s 。r d o m ，m e b e r l e r , o g l o c k l ，a n dg ，l c u c h s ， f o c u s i n gl i g h tt oat i g h t e rs p o l o p t c o m m u n 1 7 9 1 ( 2 0 0 0 ) 11 p t o r o k ，a n dp v a r g a ，“e l e c t r o m a g n e t i cd i f f r a c t i o no fl i g h tf o c u s e dt h r o u g hap l a n a r i n t e r f a c eb e t w e e nm a t e r i a l so fm i s m a t c b e dr e f r a c t i v ei n d i c e s ：a ni n t e g r a lr e p r e s e n t a t i o n ”j o p t s o c a m a 1 23 2 5 ( 1 9 9 5 ) 1 2 a s v a nd en e s ，e r t m u n r o ，s e p e r e i r a , j j m b r a a ta n dp t o r o k ， c y l i n d r i c a lv e c t o r b e a mf o c u s i n gt h r o u g had i e l e c t r i ci n t e r f a c e ；c o m m e n to p t e x p r e s s1 2 , 9 6 7 ( 2 0 0 3 ) 1 3 d p b i s sa n d1 ( 3 b r o w n ，c y l i n d r i c a lv e c t o rb e a mf o c u s i n gt h r o u g had i e l e c t r i ci n t e r f a c e o p t e x p r e s s9 ，4 9 0 ( 2 0 0 1 ) 1 4 l e h e l s e t h “r o l e so fp o l a r i z a t i o n ，p h a s ea n da m p l i t u d ei ns o l i di m m e r s i o nl e n ss y s t e m s ” o p tc o m m u n1 9 1 ，1 6 1 ( 2 0 0 1 ) 1 5 p l g r e e n ea n d d g h a l l ，“f o c a ls h j r i n v e c t o rb e a m s ，”o p t i c se x p r e s s4 ，1 1 1 ( 1 9 9 9 ) 1 6 r o r o n ，y d a n z i g e r , n d a v i d s o n ，a af r i e s e m ，a n de h a s m a n ，”d i s c o n t i n u o u sp h a s e e l e m e n t sf o rt r a n s v e r s ef o rt r a n s v e r s em o d es e l e c t i o ni nl a s e rr e s o n a t o r s ”。a p p l p h y s l e t t 7 4 ，1 3 7 3 ( 1 9 9 9 ) 1 7 r ，o r o n ，s b l i t ，n d a v i d s o n ，a a f r i e s e m ，z b o m z o na n de h a s m a n ，! t h ef o r m a t i o no f l a s e rb e a m sw i t hp u r ea z i m u t h a lo rr a d i a lp o l a r i z a t i o n ”a p p l p h y s l e t t 7 7 ，3 3 2 2 ( 2 0 0 0 ) - 5 - 中固科学技术人学硕i 学位论史第一章绪论 18 j jw y n n e ”g e n e r a t i o no ft h er o t a t i o n a l l ys y m m e t r i ct e0 la n dt m 0 1m o d e sf r o ma w a v e l e n g t h - t u n a b l el a s e r , ”i e e ej q u a n t e l e c q e - 1 0 ，1 2 5 ( 1 9 7 4 ) 1 9 m e m a r h i ca n de g a r m i r e ”l o w - o r d e rt e0 qo p e r a t i o no fac 0 2l a s e rf o rt r a n s m i s s i o n t h r o u g hc i r c u l a rm e t a l l i cw a v e g u i d e s ，”a p p l p h y s l e t t 3 8 ，7 4 3 - 7 4 5 ( 1 9 8 1 ) 2 0 le r d o g a n ，o k i n g ，g w i c k s 。d gh a l l ，eh a n d e r s o n ，a n dm j r o o k s ，”c i r c u l a r l y s y m m e t r i c a lo p e r a t i o n o fa c o n c e n t r i c c i r c l e - g r a t i n g ，s u r f a c e e m i t t i n g ，a i g a a s g a a s q u a n t u m - w e l ls e m i c o n d u c t o r - l a s e r , ”a p p l p h y s l e t t6 0 ，l9 2 1 19 2 3 ( 19 9 2 ) 2 1 m s t a l d e ra n dm s c h a d t “l i n e a r l yp o l a r i z e dl i g h tw i t ha x i a ls y m m e t r yg e n e r a t e db y l i q u i d - c r y s t a l p o l a r i z a t i o nc o n v e r t e r s ，”o p t l e t t 2 1 ，1 9 4 8 ( 1 9 9 6 ) 2 2 d g a n i c x i a o s o n gg a n a n dm i ng u “g e n e r a t i o no fd o u g h n u tl a s e rb e a m sb yu s eo fa l i q u i d c r y s t a lc e l l w i t hac o n v e r s i o ne f f i c i e n c yn e a r1 0 0 ”，o p t i c s l e t t e r s2 7 ，1 3 5 1 ( 2 0 0 2 ) 2 3 s c t i d w e l l ，g h k i m ，a n dwd k i m u r a ，“e f f i c i e n tr a d i a l l yp o l a r i z e dl a s e rb e a m g e n e r a t i o nw i t had o u b l ei n t e r f e r o m e t e r ”a p p l o p t i c s3 25 2 2 2 ( 1 9 9 3 ) 2 4 s c t i d w e l l ，d h ，f o r d ，a n dwd k i m u r a , “g e n e r a t i n gr a d i a l l yp o l a r i z e db e a m s i n t e r f e r o m e t r i c a l l y ”a p p l o p t i c s2 92 2 3 4 ( 1 9 9 0 ) 2 5 g c h u r i n j h o b f e l da n d t s c h u d i “p o l a r i z a n t i o nc o n f i g u r a t i o nw i t hs i n g u l a rp o i n t f o r m e db yc o m p u t e rh o l o g r a m s ”，o p t c o m m u n ，9 9 ，1 3 ( 1 9 9 3 ) 2 6 g r o s j e a n ，d c o u o o n a n dm s p a j e t , “a n d l f i b e rd e v i c ef o rg e n e r a t i n gr a d i a l l ya n do t h e r p o l a r i z e dl i g h tb e a m s ，”o p tc o m m u n 2 0 3 ，l ( 2 0 0 2 ) 2 7 gv o l p e d p e t r o v “g e n e r a t i o no fc y l i n d r i c a lv e c t o rb e a m sw i t hf e w m o d ef i b e r se x c i t e d b yl a g u e r r e - g a u s s i a nb e a m s ”o p t c o m m u n 2 3 7 ，8 9 ( 2 0 0 4 ) 2 8 c n i u ，b g u ，b d o n g , a n dvz h a n g “an e wm e t h o df o rg e n e r a t i n ga x i a l l y s y m m e t r i c a n dr a d i a l l y p o l a r i z e db e a m s ”j p h y s d ：a p p l p h y s 3 8 ，8 2 7 ( 2 0 0 5 ) 2 9 h i t zb “c o n e - s h a p e db r e w s t e rs u r f a c ep r o d u c e s r a d i a l l yp o l a r i z e db e a m - u n u s u a l p o l a r i z a t i o ne n h a n c e sp a r t i c l et r a p p i n g ，”p h o t o n i c ss p e c t r a 3 9 ，l1 2 ( 2 0 0 5 ) 3 0 ，y k o z a w aa n ds s a t o g e n e r a t i o no far a d i a l l yp o l a r i z e dl a s e rb e a mb yu s eo fac o n i c a l b r e w s t e rp r i s m ，”o p t l e t t3 0 ，3 0 6 3 ( 2 0 0 5 ) 3 1 k s y o u n g w o r t ha n dt gb r o w n “l n h o m o g e n e o u sp o l a r i z a t i o ni ns c a n n i n go p t i c a l m i c r o s c o p y ”，p r o e s p l e ，3 9l9 ( 2 0 0 0 ) 3 2 j c o u r t i a l ，d a r o b e r t s o n ，k d h o l a k i a ，l a l l e na n dm j p a d g e t t ，“r o t a t i o n a l f r e q u e n c ys h i f to f al i g h tb e a m ，”p h y s r e v l e t t 8 l ，4 8 2 8 ( 1 9 9 8 ) 3 3 ，b h a f i z i ，e e s a r e ya n dp s p r a n g l e ，“l a s e r - d r i v e na c c e l e r a t i o nw i t hb e s s e lb e a m s ，” p h y s r e v e5 5 ，3 5 3 9 ( 1 9 9 7 ) 3 4 ，v gn i z i e va n da v n e s t e r o v , “i n f l u e n c eo fb e a mp o l a r i z a t i o no nl a s e rc u t t i n g e f f i c i e n c y , ”j p h y s d 3 2 ，1 4 5 5 ( 1 9 9 9 ) 3 5 q i w e nz h a na n dj a m e sr l e g e r , m i c r o e l l i d s o m e t e rw i t hr a d i a ls y m m e t r y , ”a p p l o p t 4 1 4 6 3 0 ( 2 0 0 2 ) 3 6 tk u g a ，y t o r i i ，n s h i o k a w a , h i r a n o ，ys h i m i z ua n dh ，s a s a d a ， n o v e lo p t i c a lt r a p 6 中国科学技术大学硕一l 学位论义第一章绪论 o f a t o m sw i t had o u g h n u tb e a m ，”p h y s r e v l e t t 7 8 ，4 7 1 3 ( 1 9 9 7 ) 3 7 s s a t o ，y | h a r a d aa n dyw a s e d a , “o p t i c a lt r a p p i n go fm i c r o s c o p i cm e t a lp a r t i c l e s ，”o p t l e t t 1 9 ，1 8 0 7 ( 1 9 9 4 ) ， 3 8 d p o h l “v e c t o r i a lt h e o r yo f s e l f - t r a p p e dl i g h tb e a m s ，”o p t c o m m u n 2 ，3 0 5 ( 1 9 7 0 ) 3 9 y c h e r t 叮ea n dt mf a m i l i e so fs e l f - t r a p p e db e a m s , i e e ej q u a n t u me l e c t r o n 2 7 1 2 3 6 ( 1 9 9 n - 7 一 中瑚掌技术丈学顺i 学位论文 第一帝轴对称光束产生方弦 第二章轴对称光束产生方法 轴对称光束的产生方法很多，根据激光腔的构造不同基本可以分为两类：主 动方法和被动方法，也即腔内生成法和腔外生成法。这两种方法各有特点。主动 方法需要对激光器的结构做相应调整，对于大规模量产的激光器在应用方面可行 性不好，但改造完毕其利用效率很高。被动方法具有很大的设计灵活性，但利用 效率较低。由于径向偏振光和角向偏振光的强对称性，一般产生的矢量偏振光为 两者其一，而它们向广义轴对称偏振光的转化可以利用两个半波片实现。对于这 种光的产生，已经成为国际上相当热门的话题1 2 3 之一。本章将介绍一些常用的 产生方法。 2 1 主动方法产生轴对称光束 主动方法“”主要是在激光器内利用特殊的选模元件选出需要的模式。本节 介绍在谐振腔内用干涉的方法让某种模式处于优势地位从而输出5 ，另外作为一 种通用方法，借助干涉也可以在腔外产生所需要的模式。“。它是以偏振相互垂 直的两种t e m 。模的叠加为基础实现的。在谐振腔内插入位相元件选出这两种模 式然后使其叠加。两种t e m 。模用公式表示为： 臣，) ( r ，矽) = e o ( r ) c o s b ，臣，) ( r ，庐) = e o ( r ) s i n o 公式2 - l 径向偏振光与角向偏振光可以表示为两种模式的叠加，如公式2 2 a ，b 所示： 臣) ( ，) = 一，) ( ，矿) i + 臣；) ( ，) 歹= e o ( r ) ( b 公式2 2 a 五，) p ，妒) = & 。1 p ，妒) i + 五，) ( ，) 多= e o ( r ) r 公式2 - 2 b 两种模式的叠加分别如图2 1 ( a ) ( b ) 所示： 中国手 学技术人