矢量光束

毕业设计（论文）题目：具有分数轨道角动量矢量光束的设计与应用EnglishTitle：DesignandApplicationofvectorbeamwithfractionalorbitalangularmomentum学生姓名:刘晓昌专业:物理学学号:08027114指导老师:周琦二0一二年六月东华理工大学毕业设计（论文）摘要摘要矢量光束中的偏振态在光场时空演化及其与其他物质相互作用中起着非常重要的作用，表现出一些不同于标量光束的新颖特性。因此，矢量光束的研究有重要的科学价值和应用意义。近年来矢量光束独一无二的性质以及潜在的应用价值使得越来越多的科研人员对其产生了浓厚的兴趣，特别是偏振态显现出轴对称性的光束（即轴对称矢量光束）以及椭圆对称性的光束（即椭圆矢量光束）。矢量光束以其独特的发展前景受到广泛的关注。在本论文中，我们首先介绍了矢量光束的基本概念、产生方法以及应用。通过激光器的谐振腔外干涉或在激光器谐振腔内插入特殊的元件以及利用空间光调制器能够产生各种构型的矢量光束；在第二章中，我们提出了一种利用振幅型空间光调制和偏振分束器件实现矢量光束的方案，数值计算了产生圆对称径向、角向矢量光束以及椭圆矢量光束的调制光栅构型；在第三章中，我们在矢量瑞利——索末菲衍射理论的基础上，介绍了矢量光束经过高数值孔径物镜聚焦的特性，并初步探讨了矢量光束中光子轨道与自旋角动量，得出椭圆矢量光束光子轨道角动量具有分数值的结论。最后，我们对所研究的内容进行了总结与展望。关键字：矢量光束；激光器；空间光调制器；衍射理论；角动量东华理工大学毕业设计（论文）ABSTRACTABSTRACTThepolarizationstateofthevectorbeamplaysaveryimportantroleintheevolutionofopticalfieldintemporalandspatialdimensionsandtheinteractionwithothermatters;duestosomenovelfeaturesdifferentfromthescalarbeamarepresented.Therefore,thestudyofvectorbeamhasimportantscientificvalueandapplicationsignificance.Inrecentyears,moreandmoreresearchersdevelopstronginterestintheuniquenatureandpotentialapplicationsofthevectorbeams,inparticular,thebeamwithaxialsymmetrypolarizationstate(axsymmetricvectoringbeam)andellipticalsymmetrypolarizationstate(ellipticalvectorbeam).Vectorbeamhasalsoreceivedwidespreadattentionforitsuniquedevelopmentprospects.Inthispaper,somebasicconcepts,generationmethodandfoundationalapplicationofvectorbeamedarefirstintroducedinChap.1.Vectorbeamswithvariousconstructsofpolarizationcanbegeneratedbythemethodsofoutercavityinterference,theuseofspecialopticalelementinsertedintoresonantcavity,spatiallightmodulatorandsoon.InChap.2,weproposedanovelschemetoimplementvectorbeambysynchronouslyusingspatiallightmodulatorworkingonamplitudemodeandpolarizationbeamsplitter.Themodulationgratingsforgeneratingradial,angularvectorbeamwithcircleorellipticsymmetryarenumericallycalculated.BasedonvectorRayleighSommerfelddiffractiontheory，weintroducepropagationcharacteristicsofvectorbeamfocusedbyaobjectivelenswithhighnumericalapertureinChap.3.Somepreliminaryanalyzesanddiscussionsofphotonicorbitalandspinangularmomentumofvectorbeamarealsopresented.Andwefindafractionalorbitalangularmomentumcanbeobtainedinellipticalvectorbeam.SomeconclusionsandprospectsaredrawinfinalChapter.Keywords:Vectorbeam;Laser;Spatiallightmodulator;Diffractiontheory;Angularmomentum东华理工大学毕业设计（论文）目录目录绪论.................................................................................................11.矢量光束及其应用.........................................................................21.1矢量光束的概念........................................................................21.2矢量光束产生的方法..................................................................41.3矢量光束的应用........................................................................72.利用空间光调制器和偏振分束器实现任意构型矢量光束方案..92.1空间光调制器与偏振分束器原理..................................................92.2矢量光束产生方案...................................................................122.2.1圆对称径向矢量光束.......................................................142.2.2圆对称角向矢量光束.......................................................152.2.3椭圆对称矢量光束..........................................................172.3本章小结................................................................................203.矢量光束传播特性.......................................................................213.1光束矢量衍射理论原理.............................................................213.1.1傍轴标量理论的不自洽性................................................213.1.2角谱分析法....................................................................233.1.3矢量瑞利一索末菲衍射积分公式法....................................243.2径向、角向矢量光束聚焦特性...................................................253.2.1矢量光束聚焦场的数学描述.............................................263.2.2径向偏振光....................................................................273.2.3角向偏振光....................................................................283.3椭圆矢量光束角动量..............................................................283.3.1椭圆矢量光束的光强分布和偏振分布................................293.3.2椭圆矢量光束的总角动量................................................29东华理工大学毕业设计（论文）目录3.3.3椭圆矢量光束的自旋角动量和轨道角动量..........................31总结与展望........................................................................................33致谢...............................................................................................34参考文献............................................................................................35东华理工大学毕业设计（论文）绪论1绪论光学是研究光的物理性质和物理行为以及光和其他物质相互作用的一门物理学科。光作为电磁波，而电磁波可以用麦克斯韦方程组描述；另一方面光又具有波粒二象性，需要用量子力学来描述。从惠更斯的次波叠加原理到麦克斯韦方程组，再到爱因斯坦的光量子理论，光学做为物理学一门分支学科发生了巨大的变化。光有很多重要的性质，偏振是光的重要性质中的一种。偏振光在一些应用的研究中起到了非常重要的作用。偏振光是光矢量的振动方向不发生变化或具有特定规则变化的光束。一般情况，偏振光分为均匀偏振光和非均匀偏振光。均匀偏振光指的是在光束的横截面上，光的偏振状态不随空间分布变化的；一般有线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光和部分偏振光等。非均匀偏振光的偏振态比均匀偏振光相对来说较复杂，其特点是它的偏振状态在光束的横截面上随着空间分布会发生变化。近年来由于非均匀偏振光的众多性质和潜在的应用价值，使得越来越多的研究者对非均匀的偏振光产生了浓厚的兴趣。矢量光束就是其中研究的比较多的一种非均匀的偏振光，它在光束的横截面上的每一点的偏振态都不是均匀分布的。矢量光束的研究内容十分广泛，包括矢量光束的概念、产生、传播特性等。其中矢量光束的传播特