基于猫眼腔激光器产生矢量光束的方法及其聚焦特性研究

由于径向偏振光束和切向偏振光束等矢量光束具有众多特有性质，使其越来越受到科技工作者的广泛关注并逐渐应用于各个领域。本项目提出了一种产生矢量光束的全新方法。此方法基于猫眼腔激光器产生的TEM10模等高阶横模，经干涉后产生矢量光束。此方法仅使用一套系统即可产生多种特殊光束，而且成本较低、损耗较少，不必使用螺旋相位器件、特殊晶体、特制液晶、特制衍射器件等特殊光学元件。本项目将在提高猫眼腔横模质量的基础上，利用此方法产生性能良好的矢量光束；通过猫眼调节，实现不同矢量光束间的转换；测量和分析所产生的矢量光束经反射、折射和高数值孔径聚焦后形成的特殊光场，以便讨论其在光学操纵等领域中的应用特点。本项目研究将推动光学操纵、光学成像、光学存储、光学加工等领域的发展。

由于径向偏振光束和切向偏振光束等矢量光束具有众多特有性质，使其越来越受到科技工作者的广泛关注并逐渐应用于各个领域。. 本项目提出了一种产生矢量光束的全新方法。此方法基于猫眼腔激光器产生的多种高阶横模，利用Mach-Zehnder干涉仪结构，经分束、合成后产生矢量光束。此方法仅使用一套系统即可产生多种矢量光束，而且成本较低、损耗较少，不必使用螺旋相位器件、特殊晶体、特制衍射器件等特殊光学元件。依据此方法，研制了猫眼腔激光器，搭建了产生矢量光束的实验系统，通过猫眼调节和位相调节，实验获得了径向偏振光束、切向偏振光束、特征参数分别为（-1,0）和（-1,pi/2）的轴对称线偏振矢量光束、以及由TEM11模生成的偏振方向分别为 -45度和+45度的特殊线偏振矢量光束等多种矢量光束。. 由于矢量光束的聚焦场具有独特的性质，在光学捕获、光学成像等领域具有重要的应用前景。因此，本项目还针对矢量光束的高数值孔径聚焦特性进行了深入的理论和实验研究。理论仿真和实验测量均证明了径向偏振光束聚焦场具有良好的圆形光斑特性，优于普通线偏振光束聚焦产生的椭圆光斑。若聚焦前经过介质界面，仿真可知球差对聚焦光场影响较大。矢量光束聚焦后若作用在金属薄膜上则会产生表面等离子波，理论分析和数值仿真表明高偏振级次的轴对称线偏振矢量光束将产生多个焦点。矢量光束若经相位调制后就可形成涡旋矢量光束，理论和实验研究表明径向偏振涡旋矢量光束和高级次线偏振涡旋矢量光束具有超分辨、多焦点等特性。. 本项目还针对矢量光束聚焦场的应用，数值仿真了瑞利条件下径向偏振光束、切向偏振光束和高级次轴对称线偏振矢量光束产生的横向和纵向捕获力，并初步搭建了基于矢量光束的激光捕获系统。. 本项目的研究工作将推动矢量光束的应用，特别是矢量光束高数值孔径聚焦的应用，以及矢量光束在光学操纵、光学成像、光学存储、光学加工等领域的应用。