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作者：

李淼

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摘要：

随着光学技术研究的不断深入发展,光作为信息和能量的载体在粒子操控,光学传感与探测,光学信息领域有着广泛的应用.为了充分发挥光束的振幅,相位与偏振等物理特性多参数联合调控的优势,光场调控至关重要.其中相位与偏振作为光的基本属性参量,对微粒操控,光致旋转等光与物质相互作用过程中的影响尤为重要.在粒子操控与捕获过程中输入光束的焦场能流传递给粒子,引导粒子运动.光含有自旋角动量与轨道角动量也都会转移到粒子上从而产生力矩.相对于整数阶涡旋/矢量光束,分数阶涡旋/矢量光束具有独特的分数阶涡旋相位与偏振分布,必然会产生新颖的紧聚焦场及光物理特性,为粒子的操控与捕获提供新的调控手段,期待发现新现象.围绕着粒子操控应用需求,本论文从紧聚焦条件下分数阶涡旋/矢量光束焦场理论展开研究,探索分数阶拓扑荷对焦场分布的影响与调控特性,通过对角动量尤其横向角动量以及能流特性的研究,分析轨道与自旋耦合及出现横向自旋的新现象新机理.研究结果为复杂的光学开关和不对称粒子捕获与操控等需求提供了理论指导.主要研究内容如下:首先,根据理查德-沃尔夫矢量衍射理论,推导并建立了紧聚焦分数阶涡旋/矢量光束的解析表达式,阐明了分数阶涡旋/矢量光与整数阶的涡旋/矢量光间的等效叠加.研究了两类光束的生成及紧焦场的探测方法,给出部分实验结果.其次,研究了均匀偏振的分数阶涡旋光束三维焦场强度,横向自旋密度及自旋与轨道角动量耦合特性,发现了相位拓扑荷与均匀偏振态对焦场及相应光物理参量的影响及变化规律,分析了自旋角动量和轨道角动量在紧聚焦条件下的耦合和分布呈现空间分离的研究现象.最后,研究了分数阶矢量光束三维紧聚焦场,角动量,线动量以及力矩特性.通过优化选取分数阶偏振拓扑荷,灵活调控分数阶矢量光束的三维焦场分布及自旋轴的取向.基于不同整数阶矢量光束的模态叠加,发现了分数阶矢量光束紧聚焦场分布的空间分离与自旋/轨道角动量分布的横向分离现象.比较研究整数阶和分数阶矢量光束紧聚焦下的焦场能流分布,为多粒子的捕获与传输,吸收性粒子路径可控的柔性运输等提供灵活操纵的新方法.

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