径向偏振光的研究与应用现状

径向偏振光的研究与应用现状摘要：近年来，径向偏振光由于其关于光轴的对称性以及在高数值孔径透镜聚焦时能产生非常强的电场等特点而备受关注。特别是对其如何在损耗更低的情况下产生和如何更高效地利用在材料加工以及高分辨测量等方面的研究更是人们关注的焦点。随着进一步完善径向偏振光产生的工艺，将使之成为科学领域重要的研究工具。本文对径向偏振光的研究现状与在现代光学中的应用现状做了简要介绍。关键词：径向偏振光；应用；特殊光场偏振光是指光矢量的振动方向不变，或具有某种规则地变化的光波。按照其性质,偏振光又可分为平面偏振光（线偏光）、圆偏振光和椭圆偏振光、部分偏振光几种。径向偏振光是一种特殊的偏振光，它的电场矢量方向是与径向平行的。属于一种轴对称偏振光。对于轴对称偏振光，其突出的特点就是在光束横截面上任意一点有电场矢量方向与径向的夹角保持不变。图1径向偏振光束在用两正交线偏振光束相干叠加的方式产生所需径向偏振光时，会分别产生径向偏振光和角向偏振光。对于这两种偏振态定义为：如果场中的每个点的电场矢量相对矢径方向的旋转角度为ϕ，则该点的电场强度一般表示为Er,θ其中r为径向的单位矢量，θ是角向（切向）的单位矢量，当ϕ=0时，表示径向偏振矢量；当ϕ≠0时，为角向偏振矢量。从定义来看径向偏振光是关于传播光轴对称的，如图2(b)所示：图2角向偏振与径向偏振由于径向偏振光完美的轴对称分布，使得它与线偏振光和圆偏振光相比有着许多显著不同的特性。比如径向偏振光具有沿光轴对称的电场分布以及中空的圆环形光束结构，只有横向的磁场和沿轴的纵向的电场；并且径向偏振光和角向偏振光都是偏振本征态，它们在C-cut晶体中传播时，不会发生干扰；径向偏振光在高数值孔径透镜聚焦时可以产生超越衍射极限的极小的焦点，比线偏振光和圆偏振光的聚焦点小得多，而且聚点区域的纵向电场变得非常强。1径向偏振光束的发展1972年，日本Tohoku大学的Y.Mushiake[1]等人最先在实验中得到了径向偏振光。如图3所示。图3Y.Mushiake[1]等人的径向偏振光产生装置他们在氦氖激光器谐振腔中应用圆锥电介质元件，通过给除了径向偏振的其它偏振分量以高损耗，从而通过激光器输出了径向偏振光束。1985年，中科院高能物理研究所的庄杰佳利用四块扇形的半波片胶合成的光学元件产生了径向偏振光。1993年，华盛顿STI公司的S.C.Tidwell[2]等人应用一台干涉仪将一束线偏振光转化成了一束径向偏振光。1999年，俄罗斯科学院的A.V.Nesterov[3]等人通过在CO2激光器中放置一个偏振选择性的衍射镜，从而得到了径向偏振光输出。其装置如图4所示。2007年，德国斯图加特大学的M.A.Ahmed[4]等人在CO2激光器谐振腔内，利用多层介质膜组成的圆形谐振光栅尾镜，从而获得了径向偏振光输出。图4应用偏振选择性的衍射镜作为激光谐振腔的尾镜来产生径向偏振光束的实验原理图[3]2008年，日本Tokai大学物理系的MasamoriEndo[5]采用了一种新颖的激光谐振腔来产生径向偏振光束。如下两幅图所示，图中表示出了不同部位的光束模式分布。采用W锥形反射元件的激光谐振腔的结构原理图光束在谐振腔后方境内的传输形式图5MasamoriEndo的径向偏振光产生装置2径向偏振光的产生方法与数学表述随着径向偏振光在越来越多的领域发挥重要的作用，人们通过不断实验，采用了各种不同的方法来产生它。由于今后我们的研究重点主要是计算机模拟而不是通过试验方法得到，故在此不再赘述其产生方法的原理，把重点放在数学表述上。2.1径向偏振光的产生方法产生径向偏振光的方法大致用以下五种：·空间亚波长金属条纹光栅形成径向偏振光·C-cutNd:YVO4晶体的双折射产生径向偏振光·圆锥形布鲁斯特棱镜产生径向偏振光·相干偏振操纵法产生偏振光·组合半波片法2.2径向偏振光的数学表述在直角坐标系下，偏振光束可以用数学公式表示为：E=Ax式中(ex,ey,ez)为直角坐标系的单位矢量，[Axx,y,z,Ayx,y,z,Azx,y,zψ=arctan轴对称偏振光的偏振分布是中心对称的。光束横截面上各点的偏振态都足线性的，是麦克斯韦方程组在柱坐标系中的解，由于光束中心处偏振方向的不确定性，其在中心处的强度存在奇点。一般用数学公式表示为E在柱坐标系中又可写为E其中A0r,0为光场的复振幅分布，可以是Laguerre-Gaussian或Bessel-Gaussian函数。从右下图可以看出，空间每一点的振动方向仅与点的角位置有关，角位置为φ的点，其振动方向与x轴的夹角为φ+ϕ0，当ϕ03径向偏振光的特性与应用3.1径向偏振光的聚焦特性有许多光学仪器需要用到锐利的聚焦光束，突出的例子如：光刻、共焦显微、光学存储和粒子诱导。当达到一定的限度时，电磁场的偏振特性将起到支配作用。图6为WeibinChen等人在<Numericalstudyofanaperturelessnearfieldscanningopticalmicroscopeprobeunderradialpolarizationillumination>中用电脑模拟出来的聚焦光束能量分布。图6径向偏振光聚焦光束能量分布3.2切割金属对于材料加工方面的应用，尤其是激光切割金属，目前人们主要采用线偏振或圆偏振的激光束进行工业加工，如用线偏振的TEM00基模切割薄钢板，更先进的激光切割金属技术系统采用圆偏振光，人们应用圆偏振的基模激光得到了目前最好的激光切割金属的效果。镭射光束气流喷嘴镭射光束气流喷嘴图7金属激光切割原理图更进一步，从工业技术角度看，切割面的辐射吸收最好是轴对称的且吸收率最大的。径向偏振光可以满足上述要求。从理论上也已证明，采用径向偏振光的CO2激光器的金属激光切割效率（切割深度和切割速度的乘积）大约是采用线偏振光或圆偏振光的两倍[6]。如图8所示。因此，如果能够产生高功率的、稳定的径向偏振的激光束，将对金属激光切割工业将产生深刻的影响。图8经过计算机模拟的利用TEM01激光模式的径向偏振光所切割形状[18]4.3加速粒子对于径向偏振光束，一个重要的现象是它通过透镜聚焦时，在透镜焦点处具有纵向场分量。从物理角度来看，这是非常有趣的，因为纵向场分量所携带的能量是不会传播的。当径向偏振光束通过大数值孔径聚焦时，在焦点将产生一个很强的纵向场分量。径向偏振光束通过聚焦得到的这一光场纵向分量可以被用于相对论粒子加速。DevkiNandanGupta等人在学术论文<ElectronaccelerationtoGeVenergybyaradiallypolarizedlaser>中讲到“利用高强度的径向偏振光将电子加速到十亿电子伏特级别”。4.4粒子捕获由于高度聚焦的径向偏振光有非常强的轴向成分，它可以提供较大的梯度力，同时对沿光轴方向的坡印廷矢量没有贡献，因此它不会产生轴向的散射和吸收作用。径向偏振光在光镊中的应用越来越被重视，这项技术可以用于观测纳米微粒，微流体分类，构建近场光学显微镜，甚至可以捕捉和操控单个细胞或染色体，这对于细胞内单分子级的图像研究开辟了新的研究方法。人们普遍认为金属粒子由于具有很强的散射和吸收作用，所以很难被捕捉到，而径向偏振光做光源的光镊可以在三维空间中稳定的捕获金属粒子。例如，TakahiroKuga等人在他们的论文<NovelOpticalTrapofAtomswithaDoughnutBeam>中提到“利用径向偏振光做成的光镊捕获到金属瑞利粒子”。<Laser-drivenaccelerationwithBesselbeams>中说到“利用焦聚的径向偏振光束捕捉到大约108个原子，并维持了150ms的时间”。图9粒子捕获装置示意图[11]4.5提高纵向分辨率径向偏振光束的另一个优势是与线偏振光相比，在聚焦的情况下，径向偏振光具有更小的光斑面积。通过大数值孔径聚焦径向偏振光，人们观察到了目前为止最小的聚焦光斑，它的光斑大小要比线偏振光聚焦的光斑大小要小得多。径向偏振光的这一优越特性可被开发并用于光学显微、光刻和光学数值存储。4.5.1优化光学存储由于径向偏振光在近场产生的纵向电场比圆偏振光狭窄的多，并且拥有更小（大约20%）的聚焦点，利用这样的特性缩小了存储面上光点的尺寸从而提高了光学存储面密度，但是研究表明在介质层堆中纵向的电场矢量峰值密度锐减并且其横向成分占主要地位，这就使得径向偏振光不适合用于近场记录系统，但可用于进场只读系统。【20】4.5.2优化光学显微镜的探针将径向偏振光的聚焦特性用于增强拉曼光谱技术中的针尖，从而分析得出径向偏振光用于显微探针有潜力达到原子尺寸级别的分辨率。如图10。【17】图10利用径向偏振光构造的光学显微镜探针5对未来的展望通过上述介绍可以发现，通过径向偏振光可以产生与调控特殊光场，构造如光针、光链、光笼等具有特殊