反常涡旋光束的紧聚焦特性外文翻译资料

 2022-01-28 10:01

反常涡旋光束的紧聚焦特性

摘要

基于矢量德拜积分理论，研究了反常涡旋光束(AVB)通过高数值孔径(NA)透镜系统后的紧聚焦特性。数值模拟计算表明来讨论分析反常涡旋光束的紧聚焦特性

反常涡旋光束的紧聚焦场光强分布与拓扑电荷m、光束阶数n等相关参数参数有关。并详细讨论了光强在不同传播距离z处的相位分布和光强分布。我们的研究结果将有助于发现AVBs的潜在应用。

关键词

奇异光学;衍射理论;激光光束特性

1.引言

涡旋是光束波场中的一种普遍现象，在波场中流体绕暗中心旋转。在光学涡旋中，中心光强为零，相位不确定。1992年,艾伦等人发现,涡旋光束的相位项exp (ilphi;)每个光子携带有轨道角动量lℏ,l是拓扑电荷,phi;是方位角度，ℏ是普朗克常数。反常涡旋光束的紧聚焦特性引起了许多研究人员的极大兴趣，到目前为止，反常涡旋光束在自由空间的信息传输、通信和光学维操纵等方面都有重要的应用。2013年，一种新型涡旋光束——反常涡旋光束(AVB)在理论和实验上都被研究学者们提出，它最终将成为自由空间远场(或焦平面)中的拉盖尔-高斯光束。近年来，在强非局域非线性介质中，通过近轴光学系统研究了AVBs的特性。

另一方面，高数值孔径透镜系统聚焦光束的聚焦特性因其在高密度光学数据存储、材料处理和粒子捕获等方面的潜在应用而受到广泛关注。因此,近年来,反常涡旋光束的紧聚焦特性已经被广泛的研究,例如，通过考虑聚焦区域内三种电场分量的谱密度分布，讨论了偏振度，并在高数值孔径透镜系统聚焦的方位极化和径向极化光束的研究中计算了电场，并详细研究了非对称贝塞尔光束和高斯光束的紧聚焦特性。

然而，到目前为止，据我们所知，avb通过高数值孔径透镜系统的紧聚焦特性尚未得到研究。本文的目的是研究AVBs的紧聚焦特性，这对AVBs在某些领域的应用具有重要意义。

在第二章中，推导了avb通过高数值孔径透镜系统时理论电场的场分布。第三部分给出了一些数值模拟结果并进行了讨论。第四部分是论文的总结。

2.基本原理

AVB在焦平面z = 0处的电场可以用以下公式表示：

其中，E0是一个常数,n是光束阶数,m是拓扑荷数,w0是基本的高斯光束的束腰半径(m = n = 0), r和phi;分别是径向和方位坐标。根据矢量德拜积分理论，对于沿x轴方向的线性偏振入射光束，高数值孔径透镜系统焦平面附近的电场可以表示为：

其中T(theta;)是孔障函数(对于非平面透镜[18]),E(theta;,phi;)是切趾函数,收敛角为theta;。紧聚焦系统原理图如图1所示。如图1所示,lambda;是入射光的波长;k (k = 2pi;lambda;)是波数;f为高数值孔径物镜的焦距;参数rho;,ϕ,z是一个观察点的圆柱坐标;分别为x、y、z方向的单位向量。alpha;是由sinalpha;的数值孔径值。

在正弦条件下,我们得到r = fsintheta;,从而使AVB的切趾函数函数可以写成：

联立方程式(1)、(2)、(3)，经过一定的简化后，焦点附近电场的x、y、z分量分别可以简化为：

Jm (x)表示这一类m阶的贝塞尔函数。从上面的推导方程,我们可以看到,一个线性偏振入射光沿着x通过高数值孔径透镜系统后,在焦点附近会产生沿入射偏振方向的正交分量和纵向分量。

3.参数设置

在本节中，我们通过一个高市值孔径透镜系统对AVBs的紧聚焦特性进行了数值的模拟计算。图2分别为m = 1、2、3时不同拓扑荷数在焦平面上的总强度分布及其x、y、z分量的场分布图。其他的参数分别为n = 3, NA = 0.8,lambda;= 632.8 nm, w0 = 2毫米,f = 2毫米。图2中的(a,a),(e, e)以及(i,i)的结果表明，焦平面总强度沿y方向分布有两个峰值，随着拓扑电荷数m的增加，焦平面中心的暗区逐渐增大。有学者研究指出焦平面x分量的强度分布与总场相似,这表明x分量在总强度分布里面显然是占主导地位的。而y分量和z分量的强度分布模式与x分量的强度分布模式有很大的不同。对于y分量，在拓扑荷数m = 2的光强模式下存在最大光强。我们发现当m gt; 2时，y分量的强度分布模式中出现了一个中心暗斑，并且随着拓扑荷数m的增加而增加。此外，我们可以看到中心亮环不是一个圆，而是近似正方形。对于z分量，当拓扑荷数m = 1时，AVB中心有最大光强，当拓扑电荷m = 2(m = 3)时，中心光强为零，暗区随着拓扑电荷m的增加而增大。

图3分别为光束阶数n = 1、5、10时焦平面的总强度分布及其x、y、z分量的分布情况。研究结果表明，随着n的增加，总磁场中心环周围的外圈逐渐变亮，这是因为x分量的外圈逐渐变亮[图3(b)、(f)和(g)]。但从整体上看，随着参数n的增加，焦平面内总场和各分量的二维分布规律基本相同。因此，可以得出参数n对强度模式形状的影响不显著。

由于在焦平面电场的三个分量中，x分量的大小是最大的，这里给出了图4中x分量沿z轴横截面的相位分布图和相应的二维分布图。图4中的(a、b), (c, d)、(e, f)分别是 z =minus;lambda;,0,lambda;时的分布情况，,z = 0指的是焦平面。如图4(a)， (c)， (e)所示，可以看出螺旋状的相位分布。当参数z的值由负变为正时，发现相位的旋转方向由逆时针旋转变为顺时针旋转。因此，图4(b)和(f)中的光强分布是镜像对称的。这是因为当光束通过焦平面时，光的传播方式会从汇聚波转变为发散波，从而导致相位反转和强度图样的旋转。

4.结论

综上所述，我们研究了AVB通过高数值孔径透镜系统时的光束紧聚焦特性。利用矢量衍射理论，推导了高数值孔径透镜系统中AVBs的解析公式。研究焦平面附近区域的光强分布，详细讨论了拓扑电荷数m和光束阶数n对光强分布的影响。我们发现，对于紧聚焦的情况，总强度分布不再是旋转对称的。此外，实验结果表明，光束阶数n对光强模式分布的形状影响没有拓扑荷数m那么明显。本文得到的理论结果可能有助于发现AVBs在光学捕获中的潜在应用。

致谢

感谢国家自然科学基金61205122号和11474048号基金的支持。

  1. 参考文献

[1]W.H. Lee.Computer-generated holograms: techniques and applications Prog. Opt., 16 (3) (1978), pp. 119-232.

[2]P. Coullet, L. Gill, F. RoccaOptical vorticesOpt. Commun., 73 (5) (1989), pp. 403-408

[3]L. Allen, M.W. Beijersbergen, R.J.C. Spreeuw, J.P. Woerdman Orbital angular momentum of light and the transformation of Laguerre-Gaussian laser modesPhy. Rev. A, 45 (11) (1992), pp. 8185-8189.

[4]A. Ya. Bekshaev.Manifestation of mechanical properties of light waves in vortex beam optical systems Opt. Spectrosc., 88 (6) (2000), pp. 904-910.

[5]Y. Yang, D. Jiang, Y. Liu, G. Thirunavukkarasu Topological charges shift of vectorial nonparaxial vortex beam Optik, 127 (24) (2016), pp. 11644-11648.

[6]J. Li, W. Wang, M. Duan, J. Well.Influence of non-Kolmogorov atmospheric turbulence on the beam quality of vortex beams Opt. Express, 24 (18) (2016), pp. 20413-20423.

[7]J. Wang, J. Yang, I. Fazal, N. Ahmed, Y. Yan, H. Huang, Y. Ren, Y. Yue, S. Dolinar, M. Tur, A. Willner.Terabit free-space data transmission employing orbital angular momentum multiplexing.Nat. Photonics, 6 (2012), pp. 488-496.

[8]K.T. Dholakia Cizmar.Shaping the future of manipulation.Nat. Photonics, 5 (6) (2011), pp. 335-342.

[9]Y. Yang, Y. Dong, C. Zhao, Y. Cai.Generation and propagation of an anomalous vortex beam

Opt. Lett., 38 (24) (2013), pp. 5418-5421

[10]Y. Xu, S. Wang.Characteristic study of anomalous vortex beam through a paraxial optical system Opt. Commun., 331 (2014), pp. 32-38.

[11]Y. Yuan, Y. Yang.Propagation of anomalous vortex beams through an annular apertured paraxial ABCD optical system Opt. Quant. Electron., 47 (7) (2015), pp. 2289-2297.

[12]Z. Dai, Z. Yang, S. Zhang.Propagation of anomalous vortex beams in strongly nonlocal nonlinear media Opt. Commun., 350 (2015), pp. 19-27.

[13]M. Gu, X.P. Li, Y.Y. Cao.Optical storage arrays: a perspective for future big data storage

Light: Sci. Appl., 3 (2014), p. e177.

[14]K. Lou, S.X. Qian, Z.C. Ren, C.H. Tu, Y.N. Li, H.T. WangFemtosecond laser processing by using patterned vector optical fields Sci. Rep., 3 (2281) (2013).

[15]Q. Zhan.Trapping metallic rayleigh particles with radial polarization Opt. Express, 12 (15) (2004), pp. 3377-3382.

[16]Y. Kozawa, S. Sato.Optical trapping of micrometer-sized dielectric particles by cylindrical vector beams Opt. Express, 18 (10) (2010), pp. 10828-10833.

[17]K. Lindfors, T. Setala, M. Kaivola, A.T. Friberg.Degree of polarization in tightly focused optical fields J. Opt. Soc. Am. A, 22 (3) (2005), pp. 561-568.

[18]B. Chen, Z. Zhang, J. Pu.Tight focusing of partially coherent and circularly polarized vortex beams J. Opt. Soc. Am. A, 26 (4) (2009), pp. 862-869.

[19]K.S. Youngworth, T.G. Brown.Focusing of high numerical aperture cylindrical-vector beams

Opt. Express, 7 (2) (2000), pp. 77-87.

[20]Q. Zhan.Properties of circularly polarized vortex beams Opt. Lett., 31 (7) (2006), pp. 867-869.

[21]V.V. Kotlyar, S.S. Stafeev, A.P. Porfirev.Tight focusing of an asymmetric Bessel beam Opt. Commun., 357 (2015), pp. 45-51.

[22]Z. Chen, J. Pu, D. Zhao.Tight focusing properties of linearly polarized Gaussian beam with a pair of vor

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