光场波前调控及其在散射介质中聚焦特性的研究

论文摘要

随着激光技术应用的不断深入,光束波前调控技术在光学微操控、显微成像及微纳结构加工领域中发挥着越来越重要的作用。本文以波前的多维度调控为主线,系统论述了通过振幅、相位、频谱和偏振等自由度下的调控,重点研究了特殊模式的光束生成方法和空间传输性质等关键问题,以及在不同领域中的研究进展和应用。然后,在基于高性能和转换频率的数字空间光调制器工作基础上,运用不同算法的全息术制备了具有不同特征和空间结构的新型光束,并研究了这些复杂结构光束在空间中传播时表现的特殊性质,这些研究工作为复杂光场的波前调控技术在不同领域里的应用与发展奠定了扎实的研究基础。特别是,光在动物组织等强散射介质中传播时,其波前信息由于组织中细胞的无序运动而被随机打乱,严重限制了相干光学的进一步应用;尤其是在生物医学光学领域当中,散射效应严重限制了显微成像与微操纵的质量和深度,使得难以在深度活体组织中进行有效的检测和诊断。因此,调控光束在散射介质中的传输是生物光学等领域的重要课题。针对这一光学里的难题,本论文运用波前调制手段来对光在散射介质中的传播得以有效调控并实现了光在散射介质中有效聚焦。具体研究内容和取得的进展如下:1.系统地论述了几种基本的特殊模式光场的结构特点、空间传输特性及它们在相关领域的应用,如具有横向自加速特性的艾里(Airy)光场,具有螺旋波面及奇点相位的涡旋(Vortex)光场,具有无衍射传输效应的贝塞尔(Bessel)光场。2.运用数字微镜器件和多种全息算法实现了特殊结构光束的制备及其在空间分布的动态调控,并对这些光束的空间传输性质进行了实验研究。具体实现了对称艾里光束、完美涡旋光束、涡旋艾里光束及自加速尖端光束等具有复杂结构光束的生成与空间传输性质的研究;这些携带特殊结构的混合光束可实现特定功能的微操控和特殊微纳器件的制备等。3.将波前调控技术运用于散射介质聚焦特性的实验研究当中,对光束在介质中的传输性质进行精准有效地调控。具体研究了两种光学调控方法,一种是利用光折变材料和四波混频原理的传统相位共轭调制技术;另一种则是利用空间光调制器和计算全息法来实现数字光学调控。4.此外,本论文还研究了基于上述两种波前调控技术和声光效应的超声编码光学系统,在散射介质内部的实现了有效的光学聚焦。另外,参与搭建了毫秒量级的散射介质内部聚焦系统。这些研究工作无疑为生物光学研究领域夯实了工作基础。本论文的创新点:1.制备了空间结构不随拓扑荷变化的完美型涡旋光束,对所用的Lee及超像素全息算法的保真率和效率进行了比较和分析。此外,首次在理论上提出一种奇异自加速的多边形光束,这种光束同时拥有两种沿抛物线路径传输的主瓣结构,这种新奇结构特征在之前的文献里未被研究过,并运用突变理论对光束的产生进行了分析与解释,以及对其空间传输性质进行了系统深入的实验研究。2.在基于上述光束的研究基础上,将涡旋项编码到类艾里的光场表达式中,生成了多种混合型光束,如涡旋对称艾里光束、涡旋圆艾里光束以及叠加态的涡旋圆艾里光束;这些光束的结构及空间传输性质能通过涡旋项的嵌入位置实现动态调控。3.参与了将波前调控技术用于散射介质的聚焦特性研究,对光在介质中的传输性质进行了精准有效的调控;具体,在透过散射介质的聚焦特性研究中,搭建了基于光折变材料的波前调控系统和数字波前调控系统,提高了光学聚焦的质量和深度。这些研究成果展现出了光场波前调制方法在相干光学领域的应用潜力;尤其是在生物(Biomedical)光学领域,运用波前调控技术实现了透过生物组织等强散射介质的聚焦及组织内部的光学聚焦。这种无损伤和非侵入的调控方式为该领域在动物活体深度组织细胞内的操控及成像等应用难题提供了切实可行的思路,为发展新型安全的生物医学光学成像奠定了研究基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 光场调控技术及其应用
•     1.1.1 波前调控方法概述
•     1.1.2 波前调控技术的应用
•   1.2 本论文的研究背景
•     1.2.1 生物光学成像
•     1.2.2 微操控
•   1.3 本文主要研究内容
• 第2章 特殊结构光束
•   2.1 无衍射光束
•     2.1.1 理论基础
•     2.1.2 自修复性质
•   2.2 自加速光束
•     2.2.1 理论基础及实验研究
•     2.2.2 类艾里光束
•     2.2.3 自加速光束的相关应用
•   2.3 涡旋光束
•     2.3.1 拉盖尔高斯LG光束
•     2.3.2 涡旋光束的应用
• 第3章 基于波前调控的特殊结构光生成及特性研究
•   3.1 基于DMD的全息术
•     3.1.1 数字干涉全息术
•     3.1.2 Lee全息算法
•     3.1.3 超像素算法
•   3.2 高阶模式的高斯光束
•     3.2.1 因斯高斯光束
•     3.2.2 厄米高斯光束
•   3.3 完美涡旋光束
•     3.3.1 理论介绍
•     3.3.2 实验研究
•   3.4 类艾里光束
•     3.4.1 对称艾里光束
•     3.4.2 涡旋对称艾里光束
•     3.4.3 涡旋圆艾里光束
•     3.4.4 叠加态的涡旋圆艾里光束
•   3.5 奇异自加速多边形光束
•     3.5.1 理论来源
•     3.5.2 模拟计算结果
•     3.5.3 实验研究
• 第4章 基于波前调控的散射介质聚焦特性研究
•   4.1 研究意义
•   4.2 散射理论
•   4.3 调控方法概述
•     4.3.1 反馈波前调控技术
•     4.3.2 光学传输矩阵技术
•     4.3.3 新型波前调控技术
•   4.4 基于新型波前调控的散射介质聚焦特性研究
• 第5章 总结与展望
•   5.1 研究总结
•   5.2 未来展望
• 参考文献
• 缩写词索引
• 致谢
• 攻博期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 方兆翔

导师: 王沛,卢荣德

关键词: 光场波前调控,新型结构光束,散射介质,生物光学

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学技术大学

分类号: O436

总页数: 101

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