高斯类光束矢量结构的传输特征、分离提取及其应用研究

高斯光束作为一个经典的模型，在傍轴近似下其整体特性已获得相当深入的了解和认识。而光学捕获和光学操纵等现实应用激光技术需将高斯光束拓展至非傍轴领域。尽管已发展了微扰级数展开等方法可给出高斯光束的非傍轴解，但均存在着一定的局限性。为了寻求非傍轴条件下高斯光束的精确表征，本项目直接从麦克斯韦方程组出发，将非傍轴高斯光束表示成TE项和TM项之和，TE项和TM项分别指与光束关联的电场、磁场垂直于传输轴，TE项和TM项即为矢量结构项。本项目拟通过给出高斯光束在源区、近场和远场三个传输区域内矢量结构项的解析表达式，分析不同偏振和高斯半宽度对矢量结构的影响，确定高斯光束和相应的矢量结构项间的传输关系，掌握其矢量结构特征，实现高斯光束矢量结构的分离和提取，将分离后的TE项和TM项用于光学信息存储和准直测距等领域上，并取得有效应用，同时推广到高阶高斯光束上，以提升对光束的深层次认识，实现对光束的进一步操纵。

为了寻求非傍轴条件下高斯光束的精确表征，直接从麦克斯韦方程组出发，将高斯光束表示成TE项和TM项之和，TE项和TM项即为光束的矢量结构项，分别指与光束关联的电场、磁场垂直于传输轴，TE项和TM项是唯一的。采取恰当的数学手段给出了高斯光束矢量结构项在源区、近场和远场三个传输区域的解析表达式，考察了其强度和相位分布特征，分析了TE项和TM项在自由空间的传输特性，掌握了其传输过程中的演化规律。在源区，倏逝波构成了光场的亚波长结构。因此，定量分析了倏逝波对高斯光束矢量结构的影响。采用琼斯矢量描写高斯光束的线偏振态，分析了线偏振和柱偏振等对高斯光束的TE项和TM项及其传输的影响，期望通过控制偏振来调控高斯光束的矢量结构。.导出了高斯光束TE项和TM项在自由空间的光束传输因子，给出了高斯光束和矢量结构项三者间光束传输因子的关系通式；确定了TE项和TM项的功率占总功率的百分比随轴上传输距离的演化规律；还给出了TE项和TM项的K参数以及三者间K参数的关系通式。结合透镜的有限数值孔径这一模型，研究了高斯光束和TE项及TM项经光学系统的传输变换特性。探讨了单独的TE项和TM项在光学信息存储和准直测距等领域的应用优势。根据不同偏振高斯光束的TE项和TM项在传输过程中二者间的空间相位关系，分析了影响TE项和TM项空间取向的因素，设计制作了偏振分离器件，进行了高斯光束矢量结构项的分离提取试验。在研究掌握横基模高斯光束的矢量结构特性后，推广到了高阶高斯光束上，并对优美和标准高阶高斯光束的远场矢量结构进行了比较分析。.本研究的特色之一是从频率域出发去研究高斯光束的结构特征和传输变换特性，是深入到内部矢量结构上来提升对高斯光束的认识。而以往的研究主要集中在对基于空间域表征的高斯光束的传输变换特性研究，并且都停留在一个整体光束层次上。特色之二，通过研究高斯光束和矢量结构项三者间的传输关系，剖析高斯光束的内部矢量结构和传输特性，确定传输特性的根源，从而可实现对高斯光束的深层次控制。已发表SCI收录论文24篇，EI收录论文2篇，申报发明专利7项，软件著作权登记3项，出版专著1部，相关成果获得浙江省2015年度自然科学奖二等奖1项。