双环径向偏振光束经高NA轴锥透镜的紧聚焦外文翻译资料

 2022-07-20 03:07

双环径向偏振光束经高NA轴锥透镜的紧聚焦

摘要：

本文提出了一种用于产生纵向极化光束的子波长（0.45微米）的方法，该光束在约8英里的空间长度上无扩散地传播。这是通过紧聚焦来实现的。这是通过用高NA透镜轴棱锥的紧聚焦来实现的，它利用球面像差复制轴棱镜的性能并产生扩展焦线。基于矢量衍射理论计算了光强分布，发现在高数值孔径（Na）透镜轴棱镜的情况下，焦点附近的总光强分布对入射光的截断程度影响不大。

  1. 纵向偏振光束

圆柱形偏振激光束由于其独特的电子矢量分布，最近获得了相当大的研究兴趣。径向和方位极化是这种圆柱形矢量光束的两个独特的情况。径向偏振光束尤其引起科学家兴趣，其产生具有增加的分辨率增强的全对称焦点并且在高数值孔径聚焦下提供纵向电子部件。强聚焦径向偏振光束的强纵向场的存在有许多有吸引力的应用，如粒子加速、荧光成像、二次谐波产生和拉曼光谱。提高纵向场分量的几种方法，然而，它们都不具有足够的光学效率和均匀的轴向场强。

  1. 高NA轴锥透镜的R-TEM11 *模束的紧聚焦轴棱锥

最近，双环形光束作为高阶径向偏振模式（R-TEM11 *）直接从激光腔室中产生。另外，这些高阶模式光束可能由一个特定的激光腔产生，这个腔被设计为只能用径向偏振振荡。理论上报道，在特定的聚焦条件下，一个双环形的径向偏振光束有可能形成光学瓶形光束，并且可以在紧密聚焦的情况下产生纵向分量的焦点。1954年发明的轴锥透镜可聚焦长光束的远焦点。 然而，轴锥透镜产生的光束的轴向强度随着传播距离的增加而增加，并且难以实现亚波长聚焦。1960年Steel首次提出使用球面像差法生产普通透镜的轴棱镜的想法。这个想法已被彻底调查分析和数字.并在参考文献中研究了设计透镜轴棱镜的实验方面。最近我们已经介绍了具有纳米刻度尺解决方案的高NA轴锥透镜的可能设计。高NA轴锥透镜是一种胶合双镜头旋转三棱镜系统，其中由像差发散镜头创建的虚拟焦段可以通过添加高数值转换为具有纳米级分辨率的正向类型的实际焦段 孔径（NA）会聚透镜。这种系统的优点在于球面通常在任何光学车间生产，因此镜头轴棱镜制造容易且成本低廉。

在本文中，我们描述了一个基于矢量衍射理论的数值研究，该研究利用高NA轴锥透镜紧密聚焦的双环形R-TEM11 *模式光束的特性。这里我们只考虑包含具有三阶球差和完美高NA会聚透镜的发散透镜的系统。该建议方法的示意图如图1所示，该分析基于在任意入射偏振下广泛用于高NA聚焦系统的Richards和Wolf的矢量衍射方法进行。在径向入射偏振的情况下，采用圆柱坐标r，z和参考文献[26]的符号。焦点附近的电场E r（r，z）和E z（r，z）的径向和纵向分量可写为：

其中区分环空的存在与否， 其中NA是数值孔径，n是透镜和样品之间的折射率。J 0（x）和J 1（x）表示零阶和一阶Bessel函数。l（theta;）描述幅度调制。在光瞳面入射双环形R-TEM11 *光束，这一点函数由文献[22]给出：

其中beta;是表示瞳孔直径与光束直径的比率的参数，是广义Laguerre多项式。

  1. 结果

我们执行公式的整合lambda;=1，NA=0.9如果beta;＜1双环形角向偏振的外环会被完全挡住。

图2显示当z=0,beta;=1.3,1.5,2和2.5时焦点处的强度分布。图2（a）观察到当beta; = 1.3时，在焦点处（r = 0，z = 0），径向分量和纵向分量的强度几乎消失并且产生总强度为约0.9lambda;的FWHM的光笼。这是由于外环与内环之间的pi;相移造成的相消干涉造成的。图2（e）可以看出在yz平面上显示了它们的总强度分布的等高线图，表现出强度分布中的极好的对称性。图2（b-d）表明径向场强分别为beta;= 1.5,2和2.5时，纵向强度分别为4.73％，20.9％和36.16％，总强度散斑的FWHM分别为0.332lambda;,1.62lambda;和0. 876lambda;。据观察，当beta; = 1.5时，纵向峰值强度随旁瓣的增强和扩大而增加。还观察到，当beta; = 2时，非衍射区域延伸到4 lambda;，随着beta;增大到2.5，又减少到3lambda;，图2（g）和（h）中显示的总强度斑点尺寸的FWHM增加25％。因此，为了获得具有更好焦深的良好的纵向偏振光束，应该抑制径向场分量和旁瓣。我们通过制作一个双焦点发散透镜和一个高NA会聚透镜，证明这是可行的。通过用函数l（theta;）T（theta;）代替函数l（theta;）来评估透镜三棱镜的强度分布，其中T（theta;）是薄像差发散透镜的非近轴透射函数。

其中, f是焦距，beta;是像差系数。在计算中，我们取f=18.4mm, beta;=6.667x10e-5mm. 这导致制造简单的等凹腔发散透镜。在图3中表明，通过将像差发散透镜的透射函数包括在高NA会聚透镜的孔径上来计算径向分量的强度分布，可得到纵向偏振光束的纵向分量和总场。据观察，径向场强度降低到9.76％，对应于beta; = 1.3,1.5,2和2.5，总强度FWHM斑点尺寸为0.45 lambda;。如图3（e-h）所示的强度等高线图描绘了光斑尺寸在某个区域内是恒定的，这意味着衍射扩散被消除并且非衍射光束在该区域中传播。非衍射区域延伸至8 lambda;，对应于beta; = 1.3,1.5,2和2.5。因此，借助于高NA镜头棱镜，也可以形成纵向偏振光的针。此外还观察到，强度分布不随着入射光束被瞳孔截断的程度而改变。我们还研究了高NA透镜轴棱镜的不同像差系数beta;值时焦点附近的总强度分布，如图4。从图中可以观察到，当镜头轴棱镜的像差系数从-2times;10-5变化到8times;10-5mm时，强度分布不变。这种系统的主要优点在于，即使入射光束的截断参数和镜头旋转像差的像差系数小，它也可以产生均匀光斑尺寸和长焦深的亚波长纵向偏振光束。而且，任何光学车间都可以生产球形表面，因此镜头轴线制造简单，成本低廉。

4、结论

总之，基于矢量衍射理论，研究了具有高NA透镜锥镜的双环形径向偏振光束的紧密聚焦。观察到在适当的聚焦条件下，在有限的空间内实现了亚波长和超分辨率的长偏振非衍射光束。我们期望这种小光斑和长焦深的光束可广泛用于数据存储，生物医学成像，激光钻孔和机械加工等应用。

用相位调制LG（1,1）光束生成亚波长尺度的多焦斑和聚焦孔

摘要：

本文基于矢量衍射理论，研究了相位调制对圆柱极化拉盖尔 - 高斯光束在高NA透镜聚焦区域紧密聚焦的强度分布的影响。据观察，正确设计的复相滤波器可以产生多个焦斑和聚焦孔段，用于光陷阱的操纵。

  1. 绪论

近来，焦点区域中的强度分布在许多光学系统（例如光镊中）中起着重要作用。这使得人们对具有圆柱极化对称性的激光束的兴趣越来越大，因为这种圆柱形矢量光束焦点区域的电场具有独特的性质，并且可以广泛应用，如粒子导引或陷波， 扫描光学显微镜，光刻，金属激光切割，粒子加速等。在这些应用中，特别关注这些光束的高数值孔径（NA）聚焦特性以及它们作为高分辨率探头的应用。最近，人们对高阶（多环）圆柱形矢量光束的兴趣日益增加，这主要是由微制造技术和理论建模技术所取得的进步所推动的，而这些技术在均匀偏振下是不可用的。由于在邻近环的异相场之间的焦点处的相消干涉或由于孔的边缘处的强度集中造成的这种相干束的聚焦特性可能随着填充因子而强烈变化，导致相关拉盖尔多项式中场的径向依赖性。将入射光聚焦到具有长焦深（DOF）的多个小点或焦点孔中，对于光学工程师和科学家来说，这一直是最重要的课题之一。在本文中，我们希望分析相位调制双环形CVB经高NA镜头的聚焦特性。

2、理论基础

所建议方法的示意图如图1所示。具有可调偏振的双环形CV光束利用复合滤波器（CF）进行相位调制，然后通过高NA透镜系统进行聚焦。该分析基于在任意入射偏振下广泛用于高NA透镜系统的Richards和Wolf的矢量衍射方法进行。在入射偏振的情况下，采用圆柱坐标r，z，phi;和参考文献[11]的符号。广义圆柱形光束的焦场可写为：

（1）

其中E r，E z和Ephi; 是三个正交分量的幅度，e r，e z和ephi;是它们相应的单位矢量。电场的三个正交分量如下给出：

（2）

（3）

（4）

其中 最大角由物镜的数值孔径决定，n是透镜与样品之间的折射率。k = 2pi;/lambda;是波矢。J n（x）是第n类贝塞尔函数。r和z分别是焦点区域观察点的径向坐标和z坐标。P（theta;）描述幅度调制和由双环形圆柱形矢量光束在光瞳处入射的光瞳切趾函数，函数式为：

（5）

其中beta;是表示瞳孔直径与光束直径的比率的参数，是广义Laguerre多项式。如果p = 1，入射光束是一个双环形CV光束。通过用P（theta;）CF（theta;）代替函数P（theta;）来评估对输入柱面矢量波束的复合滤波效率。其中CF（theta;）由下面给出：

（6）

3.结果

我们执行公式的整合。使用参数进行数值计算lambda;= 1，beta;= 1.3，目标的NA为0.9。这里，为了简单起见，我们假设折射率n = 1和A = 1。对于长度单位中的所有计算都被归一化为lambda; 并且能量密度归一化为一致。强度分布为= 0°时，这对应于高NA透镜的径向偏振入射双环形光束，如图2（a和c）所示。从图中可以看出，有可能产生一系列8个亚波长焦斑，每个半高宽为0.48lambda; 并且它们之间轴向间隔4lambda;。使用传统的全局搜索算法为上述焦点段优化的复相位滤波器（CPF）的角度集合是theta;1 = 44.24°，theta;2 = 46°，theta;3 = 63.9°，theta;4= 64.19°。

但是，从图2（b＆d）可以看出， 当= 90°时，这对应于双环形方位偏振入射光束，上述移动的CPF产生一系列八个焦点孔，每个具有0.32lambda;的FWHM并且它们之间轴向间隔4lambda;。如图2（b）所示，r = 0.3lambda;时，在焦点附近的轴上强度分布被发现几乎是均匀的。图3（a和c）显示了= 0°时，对于角度优化的CPFtheta;1 = 32.7，theta;2 = 57.12°，theta;3 = 63.9°，theta;4= 64.19°。我们从图中观察到，单焦点分裂成两个半波长焦点，每个焦点半高宽为0.6lambda;并且轴向间隔为2.5lambda;。每个焦点的自由度测量为2.4 lambda;。我们还观察到，相同的CPF产生两个亚波长聚焦孔，其每一个都具有0.5lambda;的FWHM并且被2.5lambda;的轴向距离分开。他们之间的偏振角= 90°。如图3（b和d）所示，每个聚焦孔的自由度测量为2.7lambda;。图4（a）显示，通过将CPF的三个角度设置为theta;1 = 38.8°，theta;2 = 43.89°，theta;3 =62.91°，theta;4= 64.19°。我们可以生成一系列五个子波长焦点，每个焦点的半高宽为0.52lambda; 并且轴向间隔3lambda;他们之间的偏振角= 0◦。然而，从图4（b）我们观察到，通过设定偏振角theta; = 90°时，相同的CPF产生一系列五个子波长焦点孔，每个半波长的半高宽为0.32lambda;并轴向分开3.2lambda;的距离。因此，通过使用上述优化的CPF并通过调整入射CVB的偏振角从= 0◦到= 90°时，可以分别产生一系列五个亚波长焦斑和焦孔。图5（a和c）显示了= 0°时，对于角度优化的CPF，theta;1 = 42.47°，theta;2 = 44.24°，theta;3 = 63.9°，alpha;= 64.19°。从图中我们观察到，可能产生一系列13个亚波长焦斑，每个半高宽具有0.45lambda;的FWHM并且轴向间隔3.8lambda;的距离。每个焦点的自由度测量为2.2 lambda;。我们还观察到，相同的CPF产生了每个具有0.32lambda;的FWHM的十三个次波长聚焦孔。并以4lambda;的轴向距离分开。 他们之间的偏振角= 90°。每个聚焦孔的自由度测量值为2.25lambda;，分别如图5（b和d）所示。

上述模拟计算表明，通过利用CPF调制CVB的相位，焦点区域中的光斑可以用作粒子操纵的有力工具。在这里，焦点和焦点孔中的每个粒子都被沿着z轴一个小空间三维地分开俘获。此外，多焦点可以同时捕捉多个粒子。本文介绍了一种简单灵活的形成亚波长尺寸的多焦斑和聚焦孔的方法。这种类型的光束轮廓在粒子操纵中是有用的，并且高折射率和低折射率粒子的光俘获可以精确且可控地实现。

4.结论

总之，利用矢量衍射理论证明了相位调制对圆柱极化拉盖尔 - 高斯光束在高NA透镜聚焦区域紧密聚焦的强度分布的影响。我们提出了可能的复相滤波器设计以实现多焦点
以及在光镊，微操作，显微镜和光存储中广泛应用的聚焦孔段。

径向极化拉盖尔-贝塞尔高斯光束的紧聚焦及其在两种粒子操纵中的应用

摘要：

基于矢量衍射理论计算浸没液体中高数值孔径物镜对径向极化Laguerre-Bessel-Gaussian光束焦点附近的强度分布。我们比较了径向极化拉盖尔-贝塞尔高斯光束和拉盖尔高斯光栅和贝塞尔高斯光束的聚焦特性。此外，还研究了最佳设计的同心三区相位滤波器对焦点区域强度分布的影响。我们使用专门设计的三区相位滤波器进一步分析由高度聚焦的径向偏振拉盖尔 - 贝塞尔高斯光束产生的瑞利粒子的辐射力。

  1. 绪论

在具有高数值孔径（NA）的成像系统中，电磁场的偏振特性是特别重要的。已经证明，对于通光孔径，在光斑尺寸减小方面，线偏振或圆偏振优于径向偏振。然而，对于高NA物镜，径向偏振光束与环形光圈结合时会产生成型光斑尺寸，另外，当光束强烈聚焦时，具有径向偏振的激光束的特征还在于焦点处的强烈的纵向电场。众所周知，大量有吸引力的应用需要具有强纵向电场分量的高横向分辨率; 例如高密度光学数据存储，粒子加速，拉曼光谱高分辨率成像，二次谐波生成，材料处理和颗粒捕获等。

然而，在一些应用中，希

全文共6585字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

英语原文共 14 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[8964]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章