王思聰，李向平

(暨南大學(xué) 光子技術(shù)研究院 廣東省光纖傳感與通訊重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510632)

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緊聚焦軸對(duì)稱矢量光場(chǎng)波前調(diào)控及應(yīng)用

王思聰，李向平*

(暨南大學(xué) 光子技術(shù)研究院 廣東省光纖傳感與通訊重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510632)

作為光波最重要的本征物理屬性之一，光場(chǎng)偏振態(tài)在研究光與物質(zhì)相互作用中占有重要地位。矢量光場(chǎng)的波前調(diào)控為其聚焦場(chǎng)提供了更加復(fù)雜、更加靈活可控的振幅、相位以及偏振態(tài)分布，豐富了光與物質(zhì)相互作用的手段，為材料表征提供了傳統(tǒng)線偏振、圓偏振光場(chǎng)所不可替代的研究方法，具有重要的物理意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文將綜述矢量光場(chǎng)最新的研究進(jìn)展，詳細(xì)介紹矢量光場(chǎng)的偏振態(tài)特性、產(chǎn)生方法，以及緊聚焦軸對(duì)稱矢量光場(chǎng)波前調(diào)控在遠(yuǎn)場(chǎng)小尺度光斑的產(chǎn)生、磁光記錄、單分子/顆粒取向探測(cè)、任意三維偏振態(tài)的產(chǎn)生、高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信息加密以及矢量光場(chǎng)波前重構(gòu)等方面的重要應(yīng)用。

矢量光場(chǎng)；緊聚焦；三維偏振態(tài)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

1　引　言

偏振態(tài)是光場(chǎng)本征物理特性之一。光場(chǎng)偏振態(tài)的矢量特性為光與物質(zhì)相互作用提供了更多的自由度，進(jìn)而提升了光與物質(zhì)相互作用的新穎性、靈活性和多樣性。光場(chǎng)偏振的傳播以及與材料的相互作用已被廣泛地應(yīng)用于光學(xué)檢測(cè)、測(cè)量、光學(xué)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、光通信、材料學(xué)、天文學(xué)以及生物學(xué)之中[1]。在以往研究中，人們更多利用的是空間分布均勻的偏振態(tài)，即同一時(shí)刻同一波陣面上不同位置的偏振態(tài)均相同，例如線偏振光、圓偏振光以及橢圓偏振光。與之相對(duì)應(yīng)，同一時(shí)刻同一波陣面上不同位置具有不同偏振態(tài)的光場(chǎng)，即偏振態(tài)在空間中非均勻分布的光場(chǎng)，被稱為矢量光場(chǎng)[2]。矢量光場(chǎng)的非均勻偏振特性對(duì)光與物質(zhì)相互作用有著重要的影響，為生物光子學(xué)、近場(chǎng)光學(xué)、單分子取向探測(cè)、超分辨顯微成像技術(shù)、微納加工等領(lǐng)域的研究提供了新的物理機(jī)制和潛在的技術(shù)手段。

在光與物質(zhì)相互作用的過(guò)程中，對(duì)光場(chǎng)緊聚焦(高數(shù)值孔徑聚焦)是實(shí)現(xiàn)小尺度空間光場(chǎng)調(diào)控，進(jìn)而提高光與物質(zhì)相互作用空間精確度的主要技術(shù)手段之一。與線偏振、圓偏振入射光相比，矢量光場(chǎng)具有更加復(fù)雜的偏振態(tài)空間分布，其聚焦場(chǎng)不同空間頻譜間的干涉效應(yīng)使得矢量光場(chǎng)焦斑的振幅、相位、偏振態(tài)、能流、角動(dòng)量等等發(fā)生劇烈的變化，并形成線偏振、圓偏振入射光焦斑所不具備的新穎的光場(chǎng)空間結(jié)構(gòu)。例如，在高數(shù)值孔徑透鏡聚焦下，徑向偏振入射光的緊聚焦光場(chǎng)具有極強(qiáng)的縱向場(chǎng)分量，通過(guò)提高縱向場(chǎng)分量在總光場(chǎng)中的占比，即可減小焦斑的橫向尺寸[3-5]。進(jìn)一步，利用衍射光學(xué)元件對(duì)入射光場(chǎng)波前進(jìn)行振幅和相位調(diào)制，還可伸長(zhǎng)聚焦場(chǎng)的焦深，實(shí)現(xiàn)純縱向偏振的“光針”[6-8]。與此同時(shí)，這種縱向偏振場(chǎng)還可廣泛應(yīng)用于粒子加速[9-10]、單分子取向探測(cè)[11-15]、二次諧波產(chǎn)生與成像[16-18]、顯微拉曼光譜技術(shù)[19-20]、表面等離子體共振激發(fā)[21-23]以及近場(chǎng)光學(xué)顯微[24-25]等領(lǐng)域。

除了徑向偏振光，旋向偏振光作為軸對(duì)稱矢量光場(chǎng)另一種特殊偏振形式也在很多研究領(lǐng)域，特別是在超分辨顯微成像技術(shù)和超分辨光學(xué)納米加工等領(lǐng)域中得到廣泛的關(guān)注。由于偏振的奇點(diǎn)特性，旋向偏振光在焦面內(nèi)光軸位置形成一個(gè)空心光強(qiáng)分布的焦點(diǎn)[3]，并且能夠提供最小的暗斑尺寸[26]，這在超分辨顯微成像及納米加工中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。旋向偏振光的中空聚焦特性為實(shí)現(xiàn)受激輻射損耗(STED)熒光顯微技術(shù)提供了技術(shù)手段，它可在激發(fā)光斑周圍產(chǎn)生受激輻射而實(shí)現(xiàn)超分辨熒光成像[27-31]。此外，還可以通過(guò)破壞緊聚焦光場(chǎng)的相位軸對(duì)稱性，對(duì)緊聚焦光斑波前進(jìn)行調(diào)控以實(shí)現(xiàn)對(duì)焦斑偏振態(tài)和強(qiáng)度空間分布的操控。例如，利用拓?fù)浜蜑椤?的旋向偏振渦旋光來(lái)獲得目前空間尺度最小的遠(yuǎn)場(chǎng)緊聚焦光斑[32-33]。由此可見(jiàn)，旋向偏振光的特性在高分辨率光學(xué)成像、小尺寸光學(xué)記錄與刻蝕以及高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中有著重要的物理意義和巨大的應(yīng)用發(fā)展空間。

本文將集中闡述具有軸對(duì)稱性的矢量光場(chǎng)調(diào)控的物理意義，綜述軸對(duì)稱矢量光場(chǎng)最新的研究進(jìn)展及其應(yīng)用，詳細(xì)介紹矢量光場(chǎng)的偏振態(tài)特性、產(chǎn)生方法，以及緊聚焦軸對(duì)稱矢量光場(chǎng)在遠(yuǎn)場(chǎng)小尺度光斑產(chǎn)生、磁光記錄、單分子/顆粒取向探測(cè)、任意三維偏振態(tài)的產(chǎn)生、高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信息加密以及矢量光場(chǎng)波前重構(gòu)等方面的應(yīng)用。

2　矢量光場(chǎng)的產(chǎn)生

圖1(a)所示為線偏振光，圖1(b)和(c)是軸對(duì)稱矢量光場(chǎng)的兩種特殊形式，分別表示徑向偏振光和旋向偏振光。

圖1　線偏振光、徑向偏振光和旋向偏振光 Fig.1　Linear polarization, radial polarization and azimuthal polarization light

根據(jù)矢量光場(chǎng)產(chǎn)生系統(tǒng)中是否包含有增益介質(zhì)，可將矢量光場(chǎng)的產(chǎn)生方法分為主動(dòng)形式和被動(dòng)形式[1]。主動(dòng)形式是通過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)激光器諧振腔，直接輸出矢量光場(chǎng)激光，是一種腔內(nèi)的光場(chǎng)調(diào)控方法[34-40]。而被動(dòng)形式則是利用腔外光場(chǎng)調(diào)控手段，通過(guò)特殊的光學(xué)元件對(duì)線偏振或圓偏振光場(chǎng)進(jìn)行調(diào)制，將其轉(zhuǎn)化為矢量光場(chǎng)。利用主動(dòng)形式產(chǎn)生矢量光場(chǎng)的最大優(yōu)勢(shì)是其具有較高的光場(chǎng)轉(zhuǎn)換效率。但這種方式卻缺乏靈活性，一種激光腔結(jié)構(gòu)只對(duì)應(yīng)輸出一種特定形式的矢量光場(chǎng)，因此不適用于產(chǎn)生形式多樣的矢量光場(chǎng)，也不適用于不同矢量光場(chǎng)之間的快速切換。然而，在激光腔外，多種光學(xué)元件(例如透射環(huán)、波片、相位板、空間光調(diào)制器以及偏振片等)可靈活快速地對(duì)光場(chǎng)的振幅、相位和偏振態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)性優(yōu)化調(diào)控。因此，被動(dòng)形式產(chǎn)生矢量光場(chǎng)被更多地應(yīng)用于多種偏振態(tài)矢量光場(chǎng)聯(lián)合應(yīng)用的研究領(lǐng)域。

圖2　利用液晶偏振轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生徑向和旋向偏振光[41] Fig.2　Generation of radially and azimuthally polarized light by using the LC polarization converter[41]

利用液晶器件中扭曲向列的絕熱跟蹤效應(yīng)(Adiabatic following)將線偏振入射光轉(zhuǎn)換為徑向偏振光和旋向偏振光是被動(dòng)形式產(chǎn)生矢量光場(chǎng)的一種典型方法[41]。如圖2所示，液晶盒(θCell)入射端面和出射端面液晶取向的夾角為χ，若入射線偏振光偏振態(tài)平行或垂直于入射端面的液晶取向(單向取向排列)，則出射光偏振取向?qū)⒃谌肷涔獾幕A(chǔ)上旋轉(zhuǎn)角度χ。如果液晶盒出射端面液晶取向?yàn)橥膱A形排列，那么當(dāng)入射線偏振光偏振態(tài)垂直于液晶盒入射端面的單向液晶排列時(shí)，出射光為徑向偏振光；當(dāng)入射光偏振態(tài)平行于單向液晶排列時(shí)，出射光則為旋向偏振光。由于液晶偏振轉(zhuǎn)換器具有高度集成性以及它所產(chǎn)生的矢量光場(chǎng)具有較高的偏振態(tài)純度，這種方法已被廣泛地應(yīng)用于徑向偏振光和旋向偏振光的產(chǎn)生中。

圖3　基于4f系統(tǒng)相干分解與合成生成任意偏振態(tài)矢量光場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置圖[42] Fig.3　Schematic of the experimental setup for generating arbitrary vector beams through the 4f system[42]

然而，液晶偏振轉(zhuǎn)換器所能產(chǎn)生的矢量光場(chǎng)種類還較為局限，為了產(chǎn)生具有更復(fù)雜偏振態(tài)的矢量光場(chǎng)，并擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，控制入射光場(chǎng)平面內(nèi)任意偏振態(tài)矢量光場(chǎng)的生成是矢量光場(chǎng)研究領(lǐng)域的重要目標(biāo)之一?；谡穹涂臻g光調(diào)制器的4f系統(tǒng)被應(yīng)用于任意偏振態(tài)矢量光場(chǎng)的產(chǎn)生[42]。圖3所示為基于4f系統(tǒng)相干分解與合成產(chǎn)生任意偏振態(tài)矢量光場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)裝置圖。R-D為旋轉(zhuǎn)毛玻璃片，P1和P2為偏振片，SLM為振幅型透射式空間光調(diào)制器，F(xiàn)為具有兩個(gè)小孔的空間濾波器，L1和L2為透鏡，G為Rochi光柵。準(zhǔn)直線偏振光入射至空間光調(diào)制器后被衍射為不同級(jí)次。在傅里葉頻譜面上選取±1級(jí)，并且±1級(jí)分別攜帶exp(±iδ)的位相因子，其中δ是空間光調(diào)制器全息光柵的附加位相分布。1/4波片將±1級(jí)分別轉(zhuǎn)換為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光，再利用Rochi光柵對(duì)它們進(jìn)行合成和準(zhǔn)直，進(jìn)而相干合成新穎可控的矢量光場(chǎng)。

圖4所示是在空間光調(diào)制器上引入拓?fù)浜蔀?的螺旋位相因子時(shí)所產(chǎn)生的矢量光場(chǎng)。第一行為偏振態(tài)分布圖，第二行是在沒(méi)有加入檢偏器時(shí)矢量光場(chǎng)的光強(qiáng)分布圖，第三行是加入檢偏器后矢量光場(chǎng)的光強(qiáng)分布圖。其中，φ0表示光場(chǎng)偏振態(tài)取向與相應(yīng)空間位置處徑向方向的夾角。由于附加位相δ可任意選擇，利用這種4f系統(tǒng)原理上可產(chǎn)生平面內(nèi)任意偏振態(tài)矢量光場(chǎng)。

圖4　在空間光調(diào)制器上引入拓?fù)浜蔀?的螺旋位相因子時(shí)產(chǎn)生的矢量光場(chǎng)[42] Fig.4　Generated vector beams by introducing a helical phase with a topological charge of 1 into the SLM[42]

隨著納米光子學(xué)和納米加工技術(shù)的發(fā)展，超材料表面也逐漸應(yīng)用于光場(chǎng)偏振態(tài)調(diào)控以及矢量光場(chǎng)的產(chǎn)生之中[43-46]。其中，雙層等離子體超材料表面結(jié)構(gòu)被應(yīng)用于相位和偏振態(tài)連續(xù)可調(diào)的矢量光場(chǎng)產(chǎn)生中[46]。如圖5所示，刻有矩形納米孔的雙層等離子體超材料表面分別對(duì)齊(圖5(a))以及橫向錯(cuò)位地(圖5(b))上下疊加在一起，并嵌于二氧化硅中。當(dāng)光場(chǎng)正入射于樣品表面時(shí)，金屬-介質(zhì)界面處的表面等離子體激元會(huì)被激發(fā)，并通過(guò)雙層結(jié)構(gòu)之間的耦合作用形成駐波。結(jié)構(gòu)中表面等離子體共振以及耦合所達(dá)到的最終效果是使得透射光的偏振方向取決于矩形納米孔的取向；透射光的相位取決于矩形納米孔的幾何參數(shù)。所以，通過(guò)精細(xì)調(diào)節(jié)、優(yōu)化矩形納米孔便可獲得相位可連續(xù)變化、具有任意偏振態(tài)的透射光場(chǎng)。

圖5　雙層等離子體超材料表面示意圖[46] Fig.5　Schematic illustration of the plasmonic metasurfaces[46]

圖6(a)所示為產(chǎn)生徑向偏振光的等離子體超材料表面電鏡圖。圖6(b)表示圖6(a)中心區(qū)域上下兩層超材料表面放大圖。圖6(c)是產(chǎn)生徑向偏振光的實(shí)驗(yàn)裝置圖。圖6(d)是遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證明了所產(chǎn)生的徑向偏振光場(chǎng)，其中θ是檢偏器與水平方向的夾角。

圖6　(a)產(chǎn)生徑向偏振光的等離子體超材料表面電鏡圖。其中，箭頭表示偏振取向；(b)圖(a)中心區(qū)域上下兩層等離子體超材料表面放大圖；(c)產(chǎn)生徑向偏振光的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；(d)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)得的徑向偏振光電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖[46] Fig.6　(a)SEM image of the plasmonic metasurface to generate a radially polarized beam. The arrows represent the designed distribution of the polarization direction; (b)Close-up view of the center part of (a) for the upper and bottom layers; (c)Schematic of the experimental setup for generating and detecting the radially polarized beam; (d)Measured far-field intensity profiles representing a radially polarized beam.[46]

除此之外，還可通過(guò)1/2波片組合[4,47]、液晶聚合物位相延遲器[44]、空變亞波長(zhǎng)光柵[49-50]、光電陶瓷位相延遲器[51]、光纖和金屬波導(dǎo)模式激發(fā)[52-55]以及模式間干涉[56-59]來(lái)被動(dòng)產(chǎn)生矢量光場(chǎng)。人們可根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)條件對(duì)不同產(chǎn)生方法進(jìn)行適當(dāng)選取來(lái)獲得所需的矢量光場(chǎng)。

3　軸對(duì)稱矢量光場(chǎng)的聚焦

矢量光場(chǎng)受到廣泛關(guān)注的原因之一是其新穎的緊聚焦特性。在緊聚焦條件下，聚焦光場(chǎng)的偏振態(tài)與入射光場(chǎng)相比發(fā)生了劇烈的變化，標(biāo)量衍射理論已不能對(duì)聚焦場(chǎng)的性質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確地描述。1959年，Richards和Wolf基于Debye近似[60]，提出并發(fā)展了矢量衍射理論[61]。通過(guò)分析聚焦空間不同角譜之間的干涉[62]，便可得到緊聚焦場(chǎng)的振幅、相位以及偏振態(tài)的分布情況。

圖7是軸對(duì)稱矢量光場(chǎng)緊聚焦示意圖?？紤]到矢量光場(chǎng)的軸對(duì)稱性，其聚焦過(guò)程采用柱坐標(biāo)進(jìn)行描述。其中eφ是旋向單位矢量，垂直于相應(yīng)的子午面。er是入射空間中的徑向單位矢量，eθ是聚焦空間中垂直于相應(yīng)角譜波矢k的單位矢量。er和eθ均平行于相應(yīng)的子午面。O是高斯焦點(diǎn)，即焦點(diǎn)中心，代表空間坐標(biāo)系的零點(diǎn)。θ是k與z軸的夾角。φ是k在x-y平面的投影與x軸的夾角。

圖7　軸對(duì)稱矢量光場(chǎng)緊聚焦示意圖[63] Fig.7　Schematic of tightly focusing of light fields with cylindrical symmetry[63]

圖8　光場(chǎng)緊聚焦簡(jiǎn)化示意圖[63] Fig.8　Simplified schematic of tightly focusing of light fields[63]

抽取圖7中的一個(gè)子午面(陰影部分)將聚焦示意圖進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖8所示。假設(shè)聚焦透鏡為消球差透鏡，根據(jù)sine條件[64]可知，在聚焦的過(guò)程中，入射光與其共軛折射光線相交于高斯參考球面上。圖中虛線即代表高斯參考球面，ER是參考球面上的光場(chǎng)分布。Einc代表入射光場(chǎng)。假設(shè)透鏡的透射率為1，則根據(jù)幾何光學(xué)的強(qiáng)度定律[60]可知，

(1)

式中，n和n′分別表示入射空間和聚焦空間的折射率。假設(shè)聚焦空間中任意一點(diǎn)P在聚焦空間中的柱坐標(biāo)為(rp,φp,zp)，則根據(jù)矢量衍射理論可得:

(2)

式中，k和f分別是波矢的大小以及消球差透鏡的焦距。式(2)即為緊聚焦光場(chǎng)的矢量表達(dá)式。若已知入射矢量光場(chǎng)Einc的分布，即可通過(guò)式(1)對(duì)ER進(jìn)行求解，并通過(guò)式(2)得到聚焦光場(chǎng)各偏振分量的空間分布。

當(dāng)入射光為徑向偏振光時(shí)，根據(jù)式(1)和式(2)可得:

(3)

(4)

式中，Ar是常數(shù)，

(5)

J0和J1分別表示零階和一階第一類貝塞爾函數(shù)。假設(shè)入射光為Bessel-Gauss光束[3]，則

(6)

式中，β0是透鏡孔徑與光束光腰的比值。

當(dāng)入射光為旋向偏振光時(shí)，可得:

(7)

(8)

式中，Aφ是常數(shù)，

(9)

圖9所示為徑向偏振光緊聚焦光場(chǎng)的徑向電場(chǎng)偏振分量(a)、(b)和縱向電場(chǎng)偏振分量(c)、(d)在焦平面和過(guò)焦點(diǎn)的r-z平面上的歸一化場(chǎng)強(qiáng)和偏振態(tài)分布圖。其中，β0=1.5，NA=0.95，n′=1。可以看到，在緊聚焦條件下，矢量衍射所產(chǎn)生的退偏振效應(yīng)使聚焦光斑不僅具有徑向電場(chǎng)偏振分量，同時(shí)還具有極強(qiáng)的縱向電場(chǎng)分量。與縱波(例如聲波)不同，徑向偏振入射光緊聚焦光場(chǎng)的縱向電場(chǎng)分量是由聚焦空間中各空間頻譜分量相干疊加所形成，是聚焦空間內(nèi)光場(chǎng)干涉的結(jié)果。這一縱向電場(chǎng)偏振分量具有較小的橫向尺寸，而徑向電場(chǎng)偏振分量具有中空的空間分布，因此增大了總光場(chǎng)的橫向尺寸(如圖10所示)。

圖9　徑向偏振光緊聚焦光場(chǎng)徑向偏振分量歸一化光場(chǎng)強(qiáng)度分布(a)x-y平面，(b)r-z平面；縱向偏振分量歸一化光場(chǎng)強(qiáng)度分布(c)x-y平面，(d)r-z平面。坐標(biāo)以入射光波長(zhǎng)為單位 Fig.9　Normalized intensity of the radial component of a tightly focused radially polarized incident beam (a)at the focus and (b)through the focus; Normalized intensity of the longitudinal component (a)at the focus and (b)through the focus. The units are in wavelengths

圖10　徑向偏振光緊聚焦光場(chǎng)在焦平面上的歸一化場(chǎng)強(qiáng)分布橫截面圖 Fig.10　Cross sections of the normalized focal field of a tightly focused radially polarized incident beam

與徑向偏振光產(chǎn)生極強(qiáng)縱向電場(chǎng)相對(duì)應(yīng)，旋向偏振光在聚焦空間內(nèi)可產(chǎn)生純橫向偏振光場(chǎng)。圖11所示為旋向偏振光緊聚焦光場(chǎng)強(qiáng)度在焦平面上(a)和過(guò)焦點(diǎn)的r-z平面上(b)的歸一化場(chǎng)強(qiáng)和偏振態(tài)分布圖?？梢钥吹?，旋向偏振光場(chǎng)在軸對(duì)稱中心具有偏振奇點(diǎn)特性，因而其聚焦光斑具有中空的強(qiáng)度空間分布。并且從式(9)可以看出，聚焦場(chǎng)具有純橫向偏振態(tài)。

圖11　旋向偏振光緊聚焦光場(chǎng)歸一化光場(chǎng)強(qiáng)度分布。坐標(biāo)以入射光波長(zhǎng)為單位 Fig.11　Normalized intensity of the focal field of a tightly focused azimuthally polarized incident beam (a)at the focus and (b)through the focus. The units are in wavelengths

4　緊聚焦軸對(duì)稱矢量光場(chǎng)的應(yīng)用

4.1遠(yuǎn)場(chǎng)小尺度光斑的產(chǎn)生

當(dāng)不對(duì)入射光波前進(jìn)行任何調(diào)制時(shí)，根據(jù)Abbe衍射極限原理[65-67]，利用透鏡對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行聚焦所能產(chǎn)生的最小光斑橫向尺寸為:

(10)

式中，d是聚焦光斑橫向尺寸，λ是入射光波長(zhǎng)，NA是聚焦透鏡的數(shù)值孔徑。

由于緊聚焦徑向偏振光場(chǎng)的縱向電場(chǎng)分量具有極小的空間尺寸，抑制聚焦空間內(nèi)徑向電場(chǎng)分量提高縱向電場(chǎng)分量便可以獲得超越衍射極限的小尺度焦斑。為充分抑制緊聚焦場(chǎng)徑向偏振電場(chǎng)分量的產(chǎn)生，最常用的方法之一就是在透鏡之前放置一個(gè)環(huán)形光闌[4,68-70]，光闌的外徑等于透鏡孔徑的直徑， 并通過(guò)控制光闌的內(nèi)徑來(lái)遮擋住中間部分的入射光場(chǎng)，僅保留高空間頻率角譜分量。

圖12　利用徑向偏振光產(chǎn)生遠(yuǎn)場(chǎng)小尺度光斑實(shí)驗(yàn)裝置圖[68] Fig.12　Experimental setup for generating the far-field small-sized light field by using the radially polarized incident beam[68]

圖13　(a1)～(c1)透射光強(qiáng)分布；(a2)～(c2)重建光斑形貌；(a3)～(c3)理論光斑分布[68] Fig.13　(a1)-(c1) Transmitting images, (a2)-(c2) reconstructed profiles, and (a3)-(c3) simulation profiles of the focal spots[68]

將徑向偏振光與環(huán)形光闌相結(jié)合，通過(guò)增大光闌的內(nèi)徑來(lái)遮擋住入射光場(chǎng)中間，可以有效提高縱向偏振電場(chǎng)分量的占比，在實(shí)驗(yàn)上可獲得橫向面積為0.0711λ2的遠(yuǎn)場(chǎng)小尺度光斑(NA=1.4)[68]。圖12為利用環(huán)形徑向偏振入射光產(chǎn)生遠(yuǎn)場(chǎng)小尺度光斑的實(shí)驗(yàn)裝置圖。圖13是理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖。其中(a1)～(c1)表示在實(shí)驗(yàn)中利用雙刀邊對(duì)聚焦場(chǎng)進(jìn)行二維掃描所采集的透射光強(qiáng)分布，插圖表示的是相應(yīng)的切趾函數(shù)；(a2)～(c2)是實(shí)驗(yàn)上重建的光斑形貌；(a3)～(c3)表示理論上的光斑分布；在(a)、(b)和(c)中，光闌的內(nèi)外徑之比分別為0、0.45和0.91。不難發(fā)現(xiàn)，隨著環(huán)形光闌內(nèi)外徑之比的增大，光場(chǎng)的橫向尺度逐漸減小。這是由于選取高空間頻率的角譜分量可有效提高縱向偏振分量在總光斑中的占比，進(jìn)而壓縮聚焦光斑的橫向尺寸。

采用環(huán)形光闌聚焦調(diào)控不僅可以壓縮聚焦徑向偏振光場(chǎng)的二維橫向尺寸，還可以實(shí)現(xiàn)三維超衍射小體積光斑[71]。如圖14所示，γ是透射環(huán)內(nèi)徑與外徑之比。圖14(a)表示聚焦光斑橫向尺寸與徑向深度(焦深)隨γ的變化；圖14(b)表示聚焦光斑的三維體積與光盤三維存儲(chǔ)密度隨γ的變化；圖14(c)是實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。從圖14(a)中可以看出，聚焦光斑的橫向尺寸隨著γ的增大而減小，而焦深卻隨著γ的增大而增大。為了獲得最小的三維焦斑體積，需平衡橫向尺寸和焦深這兩者的大小。從圖14(b)中可以看到，當(dāng)γ=0.65時(shí)，所獲得的光斑具有最小的三維體積。

圖14　(a)聚焦光斑橫向尺寸和徑向深度隨γ的變化；(b)聚焦光斑三維體積和光盤三維存儲(chǔ)密度隨γ的變化；(c)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖[71] Fig.14　(a)Lateral area and the axial depth of the radially polarized beam as a function of γ; (b)focal volume and the storage density limit predicted by the calculation are plotted as a function of γ; (c)schematic illustration of the experimental configuration[71]

圖15　(a)～(c)第一層至第三層光刻實(shí)驗(yàn)結(jié)果；(d)縱向橫截面圖[71] Fig.15　(a)-(c)Recording layer 1 to layer 3; (d)Cross section in the longitudinal direction[71]

圖15所示為當(dāng)γ=0.65時(shí)的三維光刻實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中(a)～(c)分別表示光刻的第一層至第三層，(d)是縱向橫截面圖。光刻點(diǎn)的橫向間距為500nm，縱向間距為1 500nm。這樣的比特間隔可使得整張光盤的密度達(dá)到3.0T字節(jié)，是目前藍(lán)光光盤的120倍。

與之相反，緊聚焦旋向偏振光場(chǎng)的聚焦空間內(nèi)僅保持有旋向偏振電場(chǎng)分量，且其空間分布具有極小的暗斑尺寸。通過(guò)破壞旋向偏振光場(chǎng)的位相軸對(duì)稱性可調(diào)控其聚焦特性。例如，可將空間螺旋相位(eimφ)引入入射光場(chǎng)以破壞其軸對(duì)稱性，其中m為螺旋相位的拓?fù)浜?，它表示圍繞對(duì)稱中心旋轉(zhuǎn)一周相位連續(xù)改變2mπ。當(dāng)采用拓?fù)浜蔀椤?的旋向偏振渦旋光為入射光時(shí)，緊聚焦空間同樣可以產(chǎn)生小尺度實(shí)心光斑[32-33]。圖16(a)為光場(chǎng)緊聚焦示意圖，插圖分別表示x偏振分量、y偏振分量以及總光場(chǎng)強(qiáng)度在焦平面上的分布。圖16(b)表示圓偏振光、旋向偏振渦旋光以及徑向偏振光緊聚焦光斑橫向面積隨數(shù)值孔徑變化的理論模擬圖(NA=1.4)?？梢钥闯?，在不對(duì)入射光場(chǎng)進(jìn)行任何調(diào)制的前提下，相比于圓偏振和徑向偏振光場(chǎng)，拓?fù)浜蔀椤?的旋向偏振渦旋光緊聚焦光斑始終具有最小的橫向尺寸。

圖16　(a)拓?fù)浜蔀椤?旋向偏振渦旋光緊聚焦示意圖，插圖表示x偏振分量、y偏振分量以及總光場(chǎng)強(qiáng)度分布；(b)圓偏振光、旋向偏振渦旋光以及徑向偏振光緊聚焦光斑橫向面積隨數(shù)值孔徑的變化[33] Fig.16　(a)Schematic illustration of tightly focusing an azimuthally polarized vortex beam with a topological charge of ±1. The insets are the intensity distributions of x component, y component and total field. (b)focal areas of a circularly polarized beam, an azimuthally polarized vortex beam with a topological charge of ±1 and a radially polarized beam as a function of NA[33]

如圖17(a)所示，左側(cè)插圖分別為金納米棒在圓偏振光和旋向偏振渦旋光緊聚焦光場(chǎng)激發(fā)下的雙光子熒光成像。圖中曲線表示像場(chǎng)的橫截面(即點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù))，反映了緊聚焦光斑的橫向尺寸?？梢钥吹叫蚱駵u旋光緊聚焦光斑的橫向尺寸(約0.049λ2)遠(yuǎn)小于圓偏振入射光焦斑。右側(cè)插圖分別表示兩聚焦光斑的傅里葉頻譜。不難發(fā)現(xiàn)旋向偏振渦旋光具有更多的高頻分量，也因此具有更小的橫向空間尺寸。圖17(b)表示相比圓偏振光，旋向偏振渦旋光緊聚焦光斑橫向尺寸的改善程度隨NA的變化。當(dāng)NA=1.4時(shí)，旋向偏振渦旋光緊聚焦光斑橫向尺寸與圓偏振光相比減小了31%。

圖17　(a)利用雙光子熒光成像對(duì)比圓偏振光和旋向偏振渦旋光緊聚焦光場(chǎng)的橫向尺寸；(b)相較圓偏振光，旋向偏振渦旋光緊聚焦光場(chǎng)橫向尺寸的改善程度隨NA的變化[33] Fig.17　(a)Comparison between the lateral sizes of the focal spots of a circularly polarized beam and an azimuthally polarized vortex beam through two-photon fluorescence imaging; (b)Improvement of the focal area of an azimuthally polarized vortex beam compared with that of a circular polarized beam at different values of NA[33]

緊聚焦條件下拓?fù)浜蔀椤?的旋向偏振渦旋光依然可以保持其純橫向偏振特性[33,72]。通過(guò)誘導(dǎo)反法拉第效應(yīng)[73]，這一特性還可應(yīng)用于磁材料產(chǎn)生純縱向磁化控制[72,74]。圖18所示為利用環(huán)形渦旋二元相位板產(chǎn)生超長(zhǎng)純縱向“磁針”的示意圖。通過(guò)二元相位板對(duì)入射旋向偏振光場(chǎng)波前的調(diào)控，不僅可以產(chǎn)生超衍射極限的純縱向磁化，還可以控制其焦深，形成縱向長(zhǎng)度為7.48λ的“磁針”。

圖18　利用環(huán)形渦旋二元相位板產(chǎn)生超長(zhǎng)純縱向“磁針”的示意圖[72] Fig.18　Schematic illustration of the setup to generate the pure longitudinal magnetization needle by using annular vortex binary optics[72]

基于反法拉第效應(yīng)[73]，各向同性無(wú)吸收的磁光材料的磁化強(qiáng)度與入射光場(chǎng)的關(guān)系滿足:

(11)

式中，E*是E的復(fù)共軛，γ是與材料磁化系數(shù)有關(guān)的常數(shù)?？梢钥闯?，當(dāng)E為純橫向偏振時(shí)，M的取向?yàn)榧兛v向。由于旋向偏振渦旋光緊聚焦光場(chǎng)為純橫向偏振，它所誘導(dǎo)的磁化強(qiáng)度取向則為純縱向。圖19(a)和19(b)分別表示在聚焦空間中產(chǎn)生的純橫向偏振“光針”以及由此“光針”所誘導(dǎo)的純縱向“磁針”。這種純縱向“磁針”的產(chǎn)生在高速高密度磁存儲(chǔ)中具有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。

圖19　y-z平面上，(a)歸一化電場(chǎng)能量密度分布和(b)磁化強(qiáng)度分布圖 [72] Fig.19　(a)Normalized electric energy density distribution and (b)magnetization distribution, in the axial plane[72]

4.2單分子/顆粒取向探測(cè)

徑向偏振光緊聚焦光場(chǎng)的另一重要應(yīng)用是進(jìn)行單分子/粒子取向探測(cè)[11-15]。在徑向偏振光緊聚焦光場(chǎng)激發(fā)下，矢量衍射引起的退偏振效應(yīng)可在聚焦空間內(nèi)產(chǎn)生豐富的電場(chǎng)偏振分量。在不同電場(chǎng)分量與單分子激發(fā)偶極子相互作用的過(guò)程中，電場(chǎng)分量將選擇性激發(fā)與之偏振平行的單分子電偶極子，其激發(fā)強(qiáng)度滿足式(12)[15]:

(12)

式中，E(r)表示空間位置依賴的電場(chǎng)，μexc是熒光分子的激發(fā)偶極子矢量。不同熒光單分子具有不同空間取向的激發(fā)偶極子，因此特定取向的熒光單分子激發(fā)成像將具有特定的空間強(qiáng)度分布模式，通過(guò)對(duì)比不同的激發(fā)成像強(qiáng)度模式即可判斷熒光發(fā)射體的三維空間取向[11]。此外，通過(guò)判斷不同取向熒光單分子的發(fā)射模式也同樣可以確定其空間取向。例如，在光學(xué)λ/2微共振腔中，徑向偏振光緊聚焦光場(chǎng)可形成雙模場(chǎng)分布形式[12]，通過(guò)納米精度調(diào)節(jié)共振腔長(zhǎng)度并采集相應(yīng)的熒光信號(hào)便可實(shí)現(xiàn)微共振腔中單熒光分子三維取向的測(cè)定。在寬場(chǎng)成像中，在傅里葉平面內(nèi)也可獲得不同熒光發(fā)射電偶極子的特征強(qiáng)度分布，通過(guò)直接探測(cè)熒光單分子的熒光發(fā)射強(qiáng)度分布，即可推斷其三維取向[13]。光學(xué)界面的存在同樣可以影響單熒光分子的發(fā)射模式[14]，根據(jù)不同的熒光發(fā)射模式不僅可以判定單分子取向，還可判定相應(yīng)單分子的空間位置(在介質(zhì)材料表面或在介質(zhì)材料內(nèi))。另一方面，在大多數(shù)情況下，熒光發(fā)射體的激發(fā)偶極子和發(fā)射偶極子的取向是不平行的[75]。徑向偏振光緊聚焦光場(chǎng)的偏振特性還可實(shí)現(xiàn)激發(fā)偶極子和發(fā)射偶極子三維取向的同時(shí)測(cè)量[15]。

除了熒光單分子，某些熒光納米顆粒也具有電偶極子的激發(fā)和發(fā)射特性，可通過(guò)熒光納米顆粒與徑向偏振光緊聚焦光場(chǎng)的相互作用來(lái)判斷其三維取向。例如，金納米棒具有雙光子熒光特性，并且在與線性偏振光相互作用中表現(xiàn)出電偶極子偏振響應(yīng)特性。圖20(a)所示為緊聚焦矢量光場(chǎng)與隨機(jī)排列的金納米棒相互作用以探測(cè)其空間取向的示意圖。圖20(b)～20(e)為不同空間取向金納米棒示意圖及其雙光子熒光模式理論模擬圖。圖20(f)～20(i)為相應(yīng)的雙光子熒光掃描成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看到不同取向的金納米棒可發(fā)射不同模式的雙光子熒光。通過(guò)對(duì)熒光模式進(jìn)行探測(cè)和比對(duì)即可精確確定相應(yīng)金納米棒的三維空間取向。由徑向偏振光場(chǎng)熒光掃描成像方法測(cè)定的三維取向與SEM實(shí)測(cè)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該方法的精確度為±5°。

圖20　(a)探測(cè)金納米棒三維取向示意圖；(b)～(e)不同空間取向金納米棒示意圖及其雙光子熒光模式理論模擬圖；(f)～(i)雙光子熒光實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖[76] Fig.20　(a)Schematic illustration of detecting the orientations of gold nanorods; (b)-(e)Schematic 3D alignment of gold nanorods and their associated calculated fluorescence images; (f)-(i)Experimental results of two-photon fluorescence images of gold nanorods with the corresponding orientations[76]

緊聚焦徑向偏振光場(chǎng)不僅可以用于電偶極子的取向檢測(cè)，還可用于磁偶極子的三維取向測(cè)定。圖21所示為NV(Nitrogen Vacancy)色心磁偶極子在直角坐標(biāo)系中的示意圖。NV色心在金剛石宿主晶格中的取向如插圖所示。NV色心的熒光發(fā)射主要取決于兩個(gè)相互垂直的偶極子(d1和d2)的振蕩。NV色心磁偶極子垂直于這兩個(gè)偶極子所組成的平面上。通過(guò)緊聚焦矢量光場(chǎng)中電場(chǎng)偏振分量與電偶極子(d1和d2)的掃描成像特征強(qiáng)度分布，即可精確檢測(cè)NV色心磁偶極子的三維取向。

圖21　NV色心在直角坐標(biāo)系中的取向示意圖[77] Fig.21　Coordinate system used to label the NV axis orientation[77]

圖22所示為不同空間取向的NV色心熒光強(qiáng)度分布的理論模擬結(jié)果?？梢钥闯?，具有不同磁偶極子取向的NV色心具有不同的熒光成像強(qiáng)度特征分布圖案。圖23(a)所示為在徑向偏振光緊聚焦光場(chǎng)的激發(fā)下，四種取向不同的NV色心在熒光發(fā)射時(shí)的共焦掃描成像。圖23(b)為對(duì)應(yīng)被檢測(cè)的NV色心三維空間取向。與傳統(tǒng)外加磁場(chǎng)測(cè)量方式對(duì)比，徑向偏振光場(chǎng)熒光掃描成像方法定位精度在±5°內(nèi)。由此可見(jiàn)，在緊聚焦條件下，徑向偏振光經(jīng)過(guò)矢量衍射所產(chǎn)生的豐富的電場(chǎng)分量可為各向異性的分子、材料等提供更加新穎的表征和檢測(cè)方法。

圖22　不同空間取向的NV色心熒光強(qiáng)度分布理論模擬結(jié)果[77] Fig.22　Simulations of the fluorescence imaging of NV centers with different orientations[77]

圖23　(a)在徑向偏振光緊聚焦光場(chǎng)激發(fā)下，4種取向不同的NV色心共焦掃描成像；(b)利用徑向偏振光測(cè)得的NV色心空間取向[77] Fig.23　(a) Scanning confocal images of 4 NV centers with a radially polarized incident beam. (b)Depiction of the orientation of each of the NV centers determined by radial imaging.[77]

4.3任意三維偏振態(tài)及加密信息存儲(chǔ)

此外，對(duì)緊聚焦矢量光場(chǎng)波前進(jìn)行調(diào)控還可為控制聚焦空間電場(chǎng)偏振分量，為產(chǎn)生任意三維偏振態(tài)提供全新的技術(shù)手段。由式(9)可知，旋向偏振光緊聚焦光場(chǎng)具有純橫向偏振態(tài)。這種純橫向場(chǎng)的一個(gè)重要應(yīng)用是與徑向偏振光所產(chǎn)生的極強(qiáng)縱向場(chǎng)相結(jié)合，在緊聚焦空間中相干合成任意三維偏振態(tài)光場(chǎng)[76]。

圖24　(a)任意三維偏振態(tài)產(chǎn)生示意圖；(b)～(d)3種不同偏振態(tài)[76] Fig.24　(a)Schematic of the generation of arbitrary 3D polarization orientation. (b)-(d) Polarizations with three different orientations[76]

如圖24所示，新合成的矢量光束具有徑向偏振光與旋向偏振光兩種分量，并利用同一切趾光闌在物鏡入射孔徑平面對(duì)其波前進(jìn)行調(diào)控。不斷優(yōu)化選擇切趾函數(shù)并調(diào)節(jié)控制徑向偏振光與旋向偏振光的光強(qiáng)占比，可在緊聚焦空間中實(shí)現(xiàn)任意三維偏振態(tài)，其中θ是金納米棒長(zhǎng)軸與z軸夾角，β是金納米棒在x-y平面上的投影與x軸的夾角。

新合成的矢量光束可以表示為:

(13)

圖25　三維偏振態(tài)理論模擬圖[76] Fig.25　Simulations of 3D polarizations[76]

式中，P(α,ε)是波前調(diào)制函數(shù)。如圖25插圖所示，白色部分代表P= 1，黑色部分代表P= 0。γ和δ分別代表徑向偏振分量和旋向偏振分量的權(quán)重因子。圖25(a)～(d)所示為緊聚焦光場(chǎng)不同偏振分量Ez、Ep和Ex、Ey(Iz、Ip和Ix、Iy)之間的比值(即光場(chǎng)偏振態(tài)的三維取向)隨著權(quán)重因子和波前調(diào)制函數(shù)的變化。從圖25(b)可以看出，縱向電場(chǎng)偏振分量強(qiáng)度(Iz)與橫向電場(chǎng)偏振分量強(qiáng)度(Ip)的比值范圍為0～40。這表示θ可從π/2到無(wú)限接近于0之間連續(xù)變化。另一方面，通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)α的大小，可使聚焦場(chǎng)的橫向偏振分量在x-y平面內(nèi)連續(xù)變化。因此，通過(guò)對(duì)合成的矢量光場(chǎng)進(jìn)行波前調(diào)控可在緊聚焦空間內(nèi)產(chǎn)生任意三維偏振態(tài)。這種全新的三維偏振態(tài)控制技術(shù)可以精確地調(diào)控光場(chǎng)偏振與各向異性材料的相互作用，實(shí)現(xiàn)三維的選擇性激發(fā)。實(shí)驗(yàn)中可采用具有強(qiáng)烈偏振敏感激發(fā)特性的金納米棒來(lái)驗(yàn)證。

在飛秒激光照射下，金納米棒強(qiáng)烈吸收與之取向一致的入射電場(chǎng)偏振分量，在產(chǎn)生雙光子熒光的同時(shí)，所吸收的光能還轉(zhuǎn)化為強(qiáng)烈的熱效應(yīng)，升高金納米棒的溫度。當(dāng)入射光光強(qiáng)達(dá)到金納米棒的熔化閾值后，金納米棒將發(fā)生永久形變轉(zhuǎn)化為金納米球，進(jìn)而削弱雙光子熒光效應(yīng)。如圖26所示，調(diào)控入射矢量光場(chǎng)波前使聚焦空間內(nèi)電場(chǎng)的偏振態(tài)沿z方向，左側(cè)和右側(cè)框圖分別表示取向在x方向和z方向的金納米棒所對(duì)應(yīng)的雙光子熒光掃描成像。當(dāng)光場(chǎng)強(qiáng)度沒(méi)有達(dá)到金納米棒熔化閾值時(shí)，兩種取向的金納米棒均會(huì)發(fā)射雙光子熒光。當(dāng)增大光場(chǎng)強(qiáng)度至熔化閾值以上時(shí)，沿z方向排布的金納米棒被熔化為金納米球，照射后其雙光子熒光效應(yīng)被大大削弱。反之，當(dāng)調(diào)控入射矢量光場(chǎng)波前使其聚焦空間內(nèi)的電場(chǎng)偏振態(tài)沿平面內(nèi)方向時(shí)，具有平面內(nèi)排布的金納米棒將被選擇性激發(fā)并發(fā)生形變。通過(guò)控制聚焦空間內(nèi)電場(chǎng)的偏振態(tài)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)任意三維空間取向的金納米棒實(shí)現(xiàn)選擇性熔化形變。

圖26　選擇性激發(fā)和熔化金納米棒[76] Fig.26　Selective excitation and melting of gold nanorods[76]

利用這種任意三維偏振態(tài)作為信息存儲(chǔ)的密鑰可以極大地提高信息存儲(chǔ)的安全性。在三維均勻分布的樣品中，聚焦空間內(nèi)具有各種取向金納米棒的排布。在信息記錄過(guò)程中，利用光強(qiáng)達(dá)到金納米棒熔化閾值的任意偏振態(tài)光場(chǎng)按照預(yù)先設(shè)定的信息圖案將相應(yīng)取向的金納米棒形變?yōu)榻鸺{米球。在提取加密存儲(chǔ)信息時(shí)，利用偏振敏感的雙光子熒光成像原理對(duì)樣品記錄區(qū)域再次掃描成像。只有當(dāng)讀取時(shí)采用與記錄光對(duì)應(yīng)的三維偏振密鑰，存儲(chǔ)的信號(hào)圖案才可通過(guò)高對(duì)比度雙光子熒光成像得以清晰地復(fù)現(xiàn)(如圖27所示)。反之，存儲(chǔ)的信息將不能被讀取。圖27中的箭頭表示5種三維偏振取向(密鑰)，用于信息的加密存儲(chǔ)。第二行為利用對(duì)應(yīng)的三維偏振態(tài)熒光掃描成像讀取的記錄信息。不難看出，不同偏振態(tài)入射光場(chǎng)可對(duì)應(yīng)不同的雙光子熒光圖像，這樣就可以為超高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及信息加密提供另一種靈活、可行的技術(shù)方法。

圖27　利用任意三維偏振態(tài)產(chǎn)生技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息加密。(a)～(e)中的箭頭表示五種預(yù)選好的偏振取向，第二行是利用相應(yīng)偏振態(tài)入射光掃描樣品所成的雙光子熒光圖像[76] Fig.27　Demonstration of 3D polarization encryption. The arrows in (a)-(e) indicate the five configured polarization orientations used for the information encryption. The bottom panel shows the scanning two-photon fluorescence images of five patterns retrieved at corresponding polarization orientations[76]

4.4矢量光場(chǎng)波前重構(gòu)

通過(guò)破壞旋向偏振光場(chǎng)的軸向?qū)ΨQ性，例如二元相位調(diào)控，可在緊聚焦空間中生成具有其他功能性應(yīng)用的純橫向偏振場(chǎng)。如圖28所示，對(duì)旋向偏振入射光進(jìn)行π位相階梯的二元調(diào)制，焦斑內(nèi)中空的旋向偏振電場(chǎng)分量轉(zhuǎn)變?yōu)榕cπ位相階梯軸線平行的線偏振態(tài)。其中，紅色箭頭代表線偏振取向。通過(guò)旋轉(zhuǎn)π位相階梯的角度φ，便可精確控制相應(yīng)緊聚焦場(chǎng)的線偏振取向。進(jìn)一步，在二元相位板中引入光柵位移函數(shù)[79]，將聚焦光斑平移至相應(yīng)的空間位置。通過(guò)場(chǎng)疊加原理將不同線偏振取向的緊聚焦光斑分別平移至不同的位置，并將相應(yīng)的入射光場(chǎng)位相調(diào)制進(jìn)行相干疊加，這樣就可在不同的空間位置同時(shí)產(chǎn)生線偏振取向不同的緊聚焦光斑，如圖29所示。

圖28　利用0/π二元相位板產(chǎn)生焦平面內(nèi)任意取向線偏振緊聚焦場(chǎng)[78] Fig.28　Generation of focal spots with arbitrarily orientated linear polarization state in the focal plane by using the 0/π binary phase plate[78]

圖29　(a)線偏振態(tài)不同的多焦點(diǎn)陣列光強(qiáng)分布圖；(b)相應(yīng)的入射場(chǎng)相位分布[78] Fig.29　(a)Intensity distributions of the multifocal array with different linear polarizations; (b)corresponding phase modulation[78]

這種任意線偏振態(tài)多焦點(diǎn)陣列的產(chǎn)生可應(yīng)用于偏振衍射波前重構(gòu)及成像中。圖30(a)所示為利用矢量波前重建技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)偏振耦合的全息成像實(shí)驗(yàn)裝置圖[80]。其中，APC表示旋向偏振轉(zhuǎn)換器。旋向偏振光入射至多偏振復(fù)用相位全息板后，可重建全息板所記錄的矢量波前。通過(guò)旋轉(zhuǎn)檢偏器的光軸，便可根據(jù)實(shí)際需要對(duì)具有不同偏振取向矢量波前的圖像信息進(jìn)行相應(yīng)的提取，如圖30(b)所示(箭頭代表檢偏器光軸的取向)。這一技術(shù)的關(guān)鍵是制作多偏振復(fù)用相位全息板來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)矢量光場(chǎng)的衍射和重構(gòu)。在全息重建的過(guò)程中，同時(shí)具有豎直和水平偏振態(tài)的矢量波前通過(guò)π位相階梯，并通過(guò)場(chǎng)疊加原理被偏振復(fù)用在全息位相空間。具有旋向偏振的矢量光場(chǎng)入射后攜帶相應(yīng)的位相調(diào)控信息，并可通過(guò)矢量衍射重構(gòu)出具有不同偏振信息的矢量波前。矢量光場(chǎng)波前重構(gòu)這種對(duì)矢量波前的偏振選擇性同樣可以應(yīng)用于高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和信息加密等研究領(lǐng)域。

圖30　(a)矢量波前重建實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；(b)利用多焦點(diǎn)偏振全息技術(shù)并通過(guò)矢量重建來(lái)實(shí)現(xiàn)偏振可辨成像的原理圖[80] Fig.30　(a)Schematic illustration of the experimental configuration of the reconstruction of vectorial wavefronts; (b)illustration of the principle of generating polarization-multiplexed phase holograms for the vectorial reconstruction of polarization discernible images[80]

5　結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了矢量光場(chǎng)調(diào)控的物理意義，綜述了矢量光場(chǎng)最新的研究進(jìn)展及其應(yīng)用，詳細(xì)介紹了軸對(duì)稱矢量光場(chǎng)的偏振態(tài)特性、產(chǎn)生方法，以及緊聚焦軸對(duì)稱矢量光場(chǎng)的特性與應(yīng)用。其中，徑向偏振光所產(chǎn)生的極強(qiáng)縱向電場(chǎng)偏振分量可廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)場(chǎng)小尺度光斑的產(chǎn)生和單分子/顆粒取向探測(cè)等研究領(lǐng)域；對(duì)旋向偏振光進(jìn)行相位調(diào)制以優(yōu)化其純橫向偏振態(tài)在緊聚焦空間中的分布在高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及偏振成像等研究領(lǐng)域中有著重要的應(yīng)用價(jià)值。另一方面，通過(guò)對(duì)徑向偏振光與旋向偏振光進(jìn)行合成，并恰當(dāng)調(diào)控其光波前，在緊聚焦空間中可實(shí)現(xiàn)任意三維偏振態(tài)光場(chǎng)。這種光場(chǎng)的產(chǎn)生為信息加密提供了新穎、可靠的技術(shù)手段。

與傳統(tǒng)線偏振和圓偏振光場(chǎng)相比，矢量光場(chǎng)的偏振非均勻性為聚焦場(chǎng)提供了更加復(fù)雜、更加靈活可控的振幅、相位以及偏振態(tài)分布，豐富了光與物質(zhì)相互作用的形式，為物質(zhì)表征提供了傳統(tǒng)線偏振和圓偏振光場(chǎng)所不可替代的研究方法，具有重要的物理意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。所以，矢量光場(chǎng)始終是光場(chǎng)調(diào)控研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

然而，盡管目前通過(guò)對(duì)入射光進(jìn)行調(diào)控可靈活快速地控制緊聚焦空間的場(chǎng)分布情況，不過(guò)其控制精度還比較低。例如，現(xiàn)在仍舊無(wú)法實(shí)現(xiàn)緊聚焦空間內(nèi)任意空間點(diǎn)處偏振態(tài)的調(diào)控。另外，徑向偏振光、旋向偏振光以及旋向偏振渦旋光只是矢量光場(chǎng)的幾種特殊形式。矢量光場(chǎng)更多的新穎特性還有待人們不斷地挖掘和探索。隨著納米光子學(xué)的發(fā)展，獲得極小空間尺度光場(chǎng)，并實(shí)現(xiàn)小尺度光場(chǎng)與新型納米尺度物質(zhì)結(jié)構(gòu)相互作用將會(huì)成為矢量光場(chǎng)未來(lái)重要的發(fā)展趨勢(shì)。一方面，可通過(guò)控制矢量光場(chǎng)振幅、相位和偏振態(tài)特性，并結(jié)合顯微成像系統(tǒng)，進(jìn)一步壓縮光場(chǎng)空間尺度，提高顯微系統(tǒng)分辨率，以及光與物質(zhì)相互作用的控制精度；另一方面，可將緊聚焦矢量光場(chǎng)應(yīng)用于各種新穎材料，例如磁光材料、超材料以及二維材料等等。隨著對(duì)矢量光場(chǎng)不斷地深入研究，矢量光場(chǎng)與物質(zhì)的相互作用會(huì)給人們帶來(lái)越來(lái)越多的新現(xiàn)象、新思路以及新物理。

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Wavefront manipulation of tightly focused cylindrical vector beams and its applications

WANG Si-cong, LI Xiang-ping*

(GuangdongProvincialKeyLaboratoryofOpticalFiberSensingandCommunications,InstituteofPhotonicsTechnology,JinanUniversity,Guangzhou510632,China)

,E-mail:xiangpingli@jnu.edu.cn

As one of the most fundamental properties of light fields, polarization has attracted immense attentions from researchers. Controlling the polarization states of light fields is of vital significance in the interactions between light fields and materials. Under tightly focused conditions, wavefront manipulation of vector beams introduces flexible and controllable amplitude, phase and polarization distributions into their focal fields, and hence diversifies the interactions between light fields and materials. In this paper, the latest progresses and developments of wavefront manipulation of tightly focused cylindrical vector beams are reviewed. Polarization properties, generation methods, and the applications of tightly focused cylindrical light fields including generations of far-field sub-diffraction focal spots, opto-magnetic recording, detections of single-molecule/particle orientations, generations of arbitrary 3D polarization states, high-density data storage, information encryption, and reconstruction of vectorial wavefronts are concretely reviewed.

vector beam;tightly focusing;3D polarization;data storage

2016-01-06；

2016-01-27

青年千人計(jì)劃項(xiàng)目資助；國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目資助(No.61522504)

2095-1531(2016)02-0185-18

TP394.1； TH691.9

A

10.3788/CO.20160902.0185

王思聰(1987—)，男，遼寧沈陽(yáng)人，博士，講師， 2010年、2015年于中山大學(xué)分別獲得學(xué)士、博士學(xué)位，主要從事矢量光場(chǎng)調(diào)控、磁光存儲(chǔ)等方面的研究。E-mail:wangsc@jnu.edu.cn

李向平(1979—)，男，四川南充人，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，2002年、2005年于南開(kāi)大學(xué)分別獲得學(xué)士、碩士學(xué)位，2009年于澳大利亞斯威本科技大學(xué)獲得博士學(xué)位，2009年至2014年于澳大利亞斯威本科技大學(xué)承擔(dān)博士后研究工作，主要從事微納光子器件、大數(shù)據(jù)光存儲(chǔ)等方面的研究。E-mail:xiangpingli@jnu.edu.cn

Supported by Young Thousand Talents Program Project, National Excellent Youth Science Foundation Project(No.61522504)