论文摘要
近二十年来,随着光学应用在各个领域的不断深入,光学针与光诱导磁化场的调控研究引起了人们的广泛关注,不仅应用到光学存储、高分辨率成像、材料加工、全光磁记录和铁磁半导体器件研发等经典领域,还深入到量子纠缠和量子通信等领域。而研究光学针与光诱导磁化场的基础和关键之一在于如何实现超分辨的横向尺寸以及具有可调性的纵向深度。因此,优化聚焦系统的设计和探究矢量光束紧聚焦特性同样具有重要的实际意义。本论文基于矢量衍射理论与逆法拉第效应（inverse Faraday effect,IFE）,通过特殊相位衍射元件对圆柱矢量光束波前的调制,对不同聚焦反射镜系统下光学针与光诱导磁化场的调控进行了深入的研究。本论文取得的主要创新成果如下:基于径向偏振光束紧聚焦特性,从多环带二元相位衍射元件（Diffractive Optical Element,DOE）入手,将聚焦系统分为偏振态调制、振幅调制、相位调制及聚焦物镜四个部分,并详细阐述了每个部分对于聚焦系统的影响。选取抛物面反射镜作为聚焦物镜,并设计了一种新型的三环带DOE来调制径向偏振贝塞尔-高斯（Bessel Gaussian,BG）光束,可用于实现超分辨的纵向偏振光针。以纵向偏振光针的横向尺寸、纵向聚焦深度及纵向场功率比等特征值为依据,从理论上解释了为什么三环带是调制径向偏振BG光束DOE的最少环带数,为DOE在微纳米光学领域的广泛应用提供了技术指导。进一步,从数学的角度将聚焦系统描述成一个整体函数,并初步分析了系统函数的一些性质。基于角向偏振光束的紧聚焦特性,针对多环带DOE调制的办法难以协调光针横向尺寸和纵向聚焦深度的问题,提出使用环形振幅滤波器及螺旋相位片来共同调制角向偏振高斯（Gaussian）光束,可以实现超分辨、超长聚焦深度的纯横向光针,并给出了理论上的模拟结果。创新性的采用解析的数学方法来分析聚焦区域的电磁场,并建立了聚焦深度与环形入射角Δθ之间近似关系的表达式。分析了不同的Δθ值对聚焦深度的影响,并从数学上严格证明了聚焦深度的可调性。基于均匀磁光薄膜的逆法拉第效应,提出了一种可以实现超分辨、超长纵向深度纯纵向磁针的方法,并给出了理论上的模拟结果。分析了不同的Δθ值对纯纵向磁针的横向尺寸和纵向深度的影响,并从数学角度讨论了磁针纵向深度的可调性。更重要的是,严格证明了光针与由其诱导产生的磁针具有同样的纵向深度,但是在横向振幅分布上具有不同的振荡形式。重新审视了以往章节中所描述的聚焦系统函数,发现在同样的数值孔径下,光针、磁针的横向尺寸与纵向深度并不会因聚焦物镜的选取而发生改变。换句话说,光针、磁针的尺寸特征值与聚焦物镜的切趾函数无关。基于椭球面镜的聚焦理论,设计了椭球面镜聚焦系统来实现焦深可调的超分辨光针以及纵向深度可调的超分辨磁针。椭球面镜聚焦系统在点光束照明的像差控制中具有潜在的前景,更重要的是椭球面镜内部的两个无像差焦点有助于利用F1开发的扫描技术构建快速点扫描显微镜。极大的扩展了椭球面镜聚焦技术的应用场景,对于光针和磁针的调控意味着该方法可以广泛应用于光刻、多层数据的记录与存储以及开发新颖的光磁器件等领域,特别是双光子干涉技术突破传统衍射极限和超高密度全光磁记录。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 付健
导师: 陈培锋
关键词: 光学针,磁化场,矢量衍射理论,逆法拉第效应,衍射光学元件,反射镜,电磁场
来源: 华中科技大学
年度: 2019
分类: 基础科学
专业: 物理学,物理学
单位: 华中科技大学
分类号: O43;O441.2
DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.000365
总页数: 75
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标签：光学针论文; 磁化场论文; 矢量衍射理论论文; 逆法拉第效应论文; 衍射光学元件论文; 反射镜论文; 电磁场论文;