軸對稱偏振光束特性的研究.pdf

1、作為一種空間非均勻偏振分布的光束，軸對稱偏振光束由于在現(xiàn)代光學(xué)應(yīng)用中發(fā)揮出獨特的優(yōu)勢而受到越來越廣泛地關(guān)注。本論文系統(tǒng)地研究和分析了軸對稱偏振光束的矢量特性、偏振特性、傳輸特性、非傍軸行為、矢量結(jié)構(gòu)以及光束質(zhì)量評價等。論文的主要研究內(nèi)容包括：
　　 (1)研究了非傍軸和傍軸近似下的軸對稱偏振光束在自由空間中的傳輸特性?；谑噶咳鹄?索末菲衍射積分公式，推導(dǎo)出自由空間中的軸對稱偏振拉蓋爾-高斯光束的電場解析式，徑向偏振光束、角向偏

2、振光束和傍軸近似下的傳輸光場可以看作該解析式的特例統(tǒng)一處理。分析表明，束腰寬度與波長的比值和光束階數(shù)這兩個參數(shù)均對徑向偏振光束和角向偏振光束的非傍軸行為產(chǎn)生了重要的影響。當(dāng)束腰寬度與波長的比值變小、光束階數(shù)增大時，徑向偏振光束和角向偏振光束的非傍軸性變得更加明顯。隨著束腰寬度與波長比值的增加、光束階數(shù)的減小和傳輸距離的增大，自由空間中的徑向偏振光束電場的縱向分量相對橫向分量可以逐漸被忽略。
　　 (2)探索了非傍軸和傍軸范疇下的

3、徑向偏振光束和角向偏振光束經(jīng)圓孔光闌衍射的傳輸特性。基于矢量瑞利-索末菲衍射積分公式，推導(dǎo)出徑向偏振和角向偏振拉蓋爾-高斯光束經(jīng)圓孔光闌衍射的電磁場解析式，自由空間和傍軸近似下的傳輸光場可以作為該解析式的特例統(tǒng)一處理。分析表明，徑向偏振光束的磁場矢量呈現(xiàn)角向偏振分布，而角向偏振光束的磁場矢量呈現(xiàn)徑向偏振分布。經(jīng)圓孔光闌衍射的徑向偏振光束和角向偏振光束的非傍軸性不僅取決于束腰寬度與波長的比值和光束階數(shù)這兩個參數(shù)，而且還與截斷參數(shù)有關(guān)。同時

4、光束的衍射效應(yīng)也需要被考慮，它隨著光闌孔徑的減小而變得更加明顯。隨著束腰寬度與波長比值的增加、光束階數(shù)的減小和截斷參數(shù)的增大，經(jīng)圓孔光闌衍射的徑向偏振光束電場的縱向分量相對橫向分量可以逐漸被忽略。
　　 (3)描述了矢量徑向偏振光束和矢量角向偏振光束在源區(qū)附近的傳輸特性，使用角譜表示法將徑向偏振光束和角向偏振光束的傳輸波和倏逝波分離出來，在沒有做任何近似處理下，推導(dǎo)出源區(qū)的徑向偏振和角向偏振拉蓋爾-高斯光束的傳輸波和倏逝波的電場

5、解析式。結(jié)果表明，束腰寬度、光束階數(shù)和傳輸距離共同決定了倏逝波的行為。當(dāng)束腰寬度與波長的比值較小、光束階數(shù)較大時，倏逝波對源區(qū)附近的徑向偏振光束和角向偏振光束的貢獻很大。光束階數(shù)的不同取值對電場的橫向分量和縱向分量的倏逝波輪廓都沒有影響。隨著束腰寬度與波長比值的增加、光束階數(shù)的減小和傳輸距離的增大，倏逝波的貢獻可以逐漸被忽略。倏逝波對徑向偏振光束的影響比它對角向偏振光束的影響更大。
　　 (4)探索了自由空間中軸對稱偏振光束在遠

6、場的矢量結(jié)構(gòu)和光束質(zhì)量。基于矢量角譜表示法，將軸對稱偏振拉蓋爾-高斯光束的電磁場劃分為橫向電場和橫向磁場兩個部分，即TE項和TM項，并且使用穩(wěn)相法推導(dǎo)出軸對稱偏振光束的TE項和TM項在遠場的電磁場解析式。采用推廣后的桶中功率（PIB）參數(shù)評價軸對稱偏振光束的遠場光束質(zhì)量。研究表明，軸對稱偏振光束的TE項、TM項、總的能流分布以及遠場光束質(zhì)量受到束腰寬度與波長的比值、光束階數(shù)和電場矢量與徑向之間的夾角這三個參數(shù)的影響。隨著束腰寬度與波長比

7、值的增大、光束階數(shù)的減小以及電場矢量指向角向，軸對稱偏振光束具有更加緊密的能流分布、更大的PIB值、更高的能量集中度和更好的遠場光束質(zhì)量。自由空間中非傍軸的角向偏振光束比徑向偏振光束在遠場具有更高的能量集中度和更好的光束質(zhì)量。
　　 (5)研究了軸對稱偏振光束經(jīng)圓孔光闌衍射的遠場矢量結(jié)構(gòu)和遠場光束質(zhì)量。根據(jù)矢量角譜表示法，將受硬邊光闌衍射的軸對稱偏振拉蓋爾-高斯光束的電磁場分解為TE項和TM項兩個部分，并且使用穩(wěn)相法推導(dǎo)出軸對稱

8、偏振光束經(jīng)圓孔光闌衍射的TE項和TM項在遠場的電磁場解析式。采用推廣后的PIB參數(shù)衡量經(jīng)圓孔光闌衍射的軸對稱偏振光束的遠場光束質(zhì)量。分析表明，圓孔光闌的存在并沒有改變軸對稱偏振光束的矢量結(jié)構(gòu)和偏振特性。束腰寬度與波長的比值、光束階數(shù)、截斷參數(shù)和電場矢量與徑向之間的夾角這四個參數(shù)共同決定了軸對稱偏振光束通過圓孔光闌衍射后的遠場矢量結(jié)構(gòu)和遠場光束質(zhì)量。隨著束腰寬度與波長比值的增大、光束階數(shù)的減小、截斷參數(shù)的增大以及電場矢量指向角向，經(jīng)圓孔光