基于谐振腔产生的矢量光场的聚焦与传输研究

论文摘要

偏振态是光束最重要的属性之一。偏振态横向非均匀分布的矢量光束在高分辨率显微镜,光学捕获,光量子通信,量子存储,激光加工和非线性光学等领域都有重要应用。通过高数值孔径透镜聚焦,产生和传输任意三维偏振态已成为当前研究的主题。径向偏振和角向偏振光束具有特殊的轴对称偏振分布,经高数值孔径透镜聚焦后,前者可以得到超强纵向电场,后者可以得到纯横向电场的焦场分布。另外由于偏振态可以记录更多信息,因此矢量光束的传输特性也引起了研究者们的关注。光束在近地范围内传输时,诸如光束强度波动（大气闪烁）、相位波动和光束扩展等大气湍流效应不可避免。要使用偏振态记录和传递信息,就需要研究大气湍流对光束偏振态的影响。本文从谐振腔的理论出发,结合Richards-Wolf矢量衍射理论和大气湍流理论,分别研究了由偏振敏感谐振腔产生的矢量光场经高数值孔径透镜聚焦的特性和大气湍流传输特性。首先研究了偏振敏感谐振腔的计算方法,并采用数值模拟的方法研究了无源腔的模式输出,确定了谐振腔输出高纯度低损耗矢量基模的有效菲涅尔数范围为1～2.1。接下来研究了偏振敏感谐振腔产生的矢量光场的高数值孔径透镜聚焦特性。采用Richards-Wolf矢量衍射积分模型,数值计算了在高数值孔径透镜聚焦条件下,偏振敏感谐振腔产生的径向偏振光束、角向偏振光束和转换得来的混合矢量光束的焦场分布。并对焦场进行了腔参数调控分析,聚焦参数调控分析以及光场的振幅和相位调控分析。其中对输出的径向偏振光束先进行振幅调控然后经高数值孔径透镜聚焦,得到焦斑大小为0.17λ2,与已知实验结果相符。结果显示,通过减小偏振敏感谐振腔的有效菲涅尔数,引入0～2π涡旋相位差,插入环形光阑（阻隔入射光束的轴中心部分）和增大聚焦透镜的数值孔径,都能有效缩小焦斑。最后采用矢量惠更斯-菲涅耳（Huygens-Fresnel）衍射积分公式和大气湍流随机相位屏模型,数值模拟了圆柱矢量光束的自由传输和大气湍流传输,分析了偏振态随传输距离的变化情况,以及湍流尺度对偏振态的影响情况。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 矢量光场的描述
•   1.3 国内外研究现状
•   1.4 本文主要研究内容
•   1.5 论文组织结构
• 2 矢量谐振腔的计算
•   2.1 光学谐振腔的本征方程理论
•   2.2 矢量Fox-Li迭代法
•   2.3 矢量特征向量法
•   2.4 无源腔模场分析
•   2.5 本章小结
• 3 矢量光场的紧密聚焦特性
•   3.1 矢量衍射理论
•   3.2 角向偏振矢量光场的高数值孔径透镜聚焦
•   3.3 径向偏振矢量光场的高数值孔径透镜聚焦
•   3.4 混合矢量光场的高数值孔径透镜聚焦
•   3.5 矢量光场的聚焦调控
•   3.6 本章小结
• 4 矢量光场的传输特性
•   4.1 矢量光场传输理论
•   4.2 矢量光场的自由传输
•   4.3 大气湍流理论
•   4.4 矢量光场的湍流传输
•   4.5 本章小结
• 5 总结与展望
• 致谢
• References
• 附录1 攻读硕士学位期间发表论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 何小凤

导师: 李波

关键词: 圆柱矢量光束,高数值孔径透镜聚焦,矢量衍射积分,大气湍流,随机相位屏

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 华中科技大学

分类号: O43

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.000969

总页数: 71

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