矢量光束的若干特性

【作者】 汪喜林； 丁剑平； 陈璟； 樊亚仙； 王慧田；

【机构】 南京大学物理系；

【摘要】 矢量光束中的偏振态在光束的时空演化以及和物质的相互作用中起重要作用,表现出不同于标量光束的一些新颖特性,因此矢量光束的研究有重要的科学价值和应用意义。在本项工作中,我们首先提出了一种产生任意偏振态分布的矢量光束的实验方法。该方法基于左右旋圆偏振光可以合成线偏振光的思想,利用两束带有不同位相差的左右旋圆偏振光的共线相干叠加,可以生成偏振态任意分布的矢量光束。我们通过空间光调制器控制圆偏振光所带的动力学位相来控制生成矢量光束的偏振状态,从而生成不同的矢量光束。偏振态的空间非均匀分布使得矢量光束具有许多独特性质。例如,矢量光束经过高数值孔径物镜聚焦后可以得到一些独特的聚焦场分布,利用径向偏振光可以得到突破瑞利极限的聚焦斑,利用旋向偏振可以得到中空聚焦光束。我们研究了利用上述方法生成的其他矢量光束的聚焦特性,得到了一些有意义的结果。对于径向偏振光束,通过高数值孔径物镜聚焦后轴向分量起了决定性的作用形成了一个中心尖峰,对于旋向光束则是纵向分量起关键作用而形成了偏离中心的两个很强的旁瓣,对于介于径向和旋向之间的矢量光束可以通过合适的调节得到平台状的聚焦场分布。以往的中空光束是通过聚焦涡旋光束得到的,这种方法得到的中空光场不可避免地带有涡旋,我们通过聚焦矢量光束同样可以得到中空光场,并且是不带涡旋的。沿着径向振动方向相反的两束光在聚焦面干涉可以形成在轴的纵向中空焦场,而旋向光束可以生成垂直于传播轴的横向中空焦场,因此可以通过适当的调节径向和旋向分量生成三维中空焦场。我们可以通过对入射光束偏振态的调控来控制高数值孔径物镜聚焦后的场分布。最后我们还研究了矢量光束中几何位相的相关问题。由于光的偏振态的空间分布而引入了几何位相。在实验中我们用把圆偏振光当作参考光进行干涉的方法直接观测到径向偏振具有涡旋位相形式的几何位相。对于不同的矢量光束,观测到不同的几何位相,与理论相吻合。更多还原