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博士学位论文 论文题目 部分相干柱偏振矢量光束的表征、传输及应用基础研究 研究生姓名 董一鸣 指导教师姓名 蔡阳健 专 业 名 称 光 学 研 究 方 向 光束传输与成像 论文提交日期 2014 年3 月 部分相干柱偏振矢量光束的表征、传输及应用基础研究 中文摘要 部分相干柱偏振矢量光束的表征、传输及应用基础研究 中文摘要 近年来，柱偏振矢量光束由于其独特的紧聚焦特性引起了人们的广泛研究。该种 光束在光束俘获，激光制造，暗场成像，数据存储等领域中具有重要的应用价值。为 了得到特殊的紧聚焦光斑，通常需要对入射的柱偏振矢量光束进行振幅和位相的调 控。 在某些领域中，例如材料热处理，惯性约束核聚变的靶面辐射等情形下，我们需 要降低激光的相干性，使得光斑能量分布更加均匀化。此外，在激光大气光通讯中， 低相干性的激光受大气湍流的影响也较完全相干光要小。目前对于部分相干光的研 究，主要集中在均匀偏振的光束，很少有人研究部分相干的柱偏振矢量光束。 本论文主要对柱偏振矢量光束的相干性进行调控，在完全相干的柱偏振矢量光束 模型的基础上，提出了部分相干柱偏振矢量光束的理论模型，并研究了部分相干柱偏 振矢量光束的傍轴与非傍轴传输特性。提出了产生部分相干柱偏振矢量光束的实验方 案。并研究了部分相干角向偏振光通过高数值孔径透镜后的聚焦特性，研究了紧聚焦 后的光束对瑞利微粒的辐射力，讨论了光束相干性对瑞利微粒俘获的影响。另外还研 究了柱偏振矢量脉冲光束经过紧聚焦后对瑞利微粒的辐射力。 在第一章中介绍了柱偏振矢量光束、部分相干光束和光镊的研究背景，同时介绍 了本论文的主要研究内容和创新点。 在第二章中介绍了激光的传输理论和通过高数值孔径透镜后的标量和矢量紧聚 焦理论。 在第三章中，我们提出了部分相干柱偏振矢量光束的理论模型，并且研究了部分 相干柱偏振矢量光束的傍轴传输特性。结果表明，在传输过程中，部分相干的柱偏振 矢量光束与完全相干情形很不一样。通过调控柱偏振矢量光束的相干性，我们可以控 制其光斑形状和偏振结构。 在第四章中，我们推导了非傍轴的部分相干柱偏振矢量光束在自由空间中传输的 解析表达式。我们的数值结果显示，当光束的腰斑尺寸远大于光束波长时，利用非傍 I 中文摘要 部分相干柱偏振矢量光束的表征、传输及应用基础研究 轴的传输公式所得结果与利用傍轴公式的结果基本吻合。而当光束的腰斑尺寸小到可 以与波长相比拟时，两者之间就会出现很大的不同。通过改变光束的初始相干性，我 们可以调控非傍轴部分相干柱偏振矢量光束的传输特性。另外，我们也推导了部分相 干柱偏振矢量光束的傍轴度的解析表达式。结果显示，部分相干柱偏振矢量光束的傍 轴度主要与光束的腰斑尺寸、初始相干性和光束的阶数有关。 在第五章中，我们在实验上产生了部分相干柱偏振矢量光束，并且研究了不同相 干性的柱偏振矢量光束经过薄透镜后的聚焦特性。我们的实验结果与理论预期能够很 好的符合。 在第六章中，我们推导了部分相干角向偏振光束通过高数值孔径透镜紧聚焦后在 焦点附近的光场表达式，并对光束的初始相干性对聚焦特性的影响作了数值分析。结 果表明，通过改变入射的角向偏振光束的相干性，可以实现对聚焦光斑的整形。另外 我们还研究了紧聚焦后的部分相干角向偏振光对瑞利微粒的辐射力，可以发现，通过 改变光束的初始相干性，我们可以俘获折射率比周围介质大或者小的瑞利微粒。 在第七章中，我们研究了紧聚焦后的柱偏振矢量脉冲光束对瑞利微粒的辐射力。 我们发现辐射力随着脉冲宽度的减小而迅速增大，径向偏振脉冲光束可以同时在横向 和纵向稳定地俘获住微粒，而角向偏振光则能在横向稳定地俘获微粒。当脉宽很小时， 线偏振脉冲光束对微粒的辐射力与柱偏振矢量脉冲光束情形很不一样，它可以用