高数值孔径多台阶相幅型菲涅耳波带片的聚焦特性分析

这篇科研文章探讨了多台阶相幅型菲涅耳波带片（M-SHFZP）的矢量衍射特性，特别是在高数值孔径条件下的聚焦性能。研究采用了矢量Rayleigh-Sommerfeld (VRS)衍射理论进行分析计算，并将结果与时域有限差分法（FDTD）模拟进行了比较。 文章指出，当线性偏振光垂直入射到M-SHFZP时，由于薄膜的透射率随着刻蚀台阶深度的变化，导致M-SHFZP的实际聚焦强度小于多台阶纯相位型菲涅耳波带片（M-SPFZP）。然而，尽管聚焦强度有所降低，但两者的聚焦光斑大小却大致相同。这意味着M-SHFZP在光学设计上可以实现类似M-SPFZP的聚光效果，但可能会损失部分能量。 进一步的研究发现，随着台阶数的增加，M-SHFZP的聚焦光强度会增强，但这并不影响光斑的大小。这意味着台阶的设计对提高聚焦光强度具有积极的影响，而不改变聚焦区域的尺寸。这对于优化波带片的性能至关重要，因为它允许在不牺牲聚焦精度的情况下提升光功率。 对于低数值孔径的M-SHFZP，光轴上的强度分布呈现出多个焦点，而高数值孔径的M-SHFZP则能显著抑制高级焦点的强度。随着台阶数和数值孔径的增大，高级次焦点的抑制效果更为显著。这种现象揭示了M-SHFZP在高数值孔径应用中的优势，即它可以更有效地集中光能并减少不必要的衍射效应。 VRS矢量衍射理论的计算结果与FDTD模拟结果一致，这为理论分析提供了实验验证，增强了研究的可信度。这项工作不仅深入理解了多台阶相幅型菲涅耳波带片的衍射机制，也为实际光学系统的设计提供了理论指导，尤其是在需要高聚焦性能和精确控制光束分布的应用中，如激光技术、光学成像和微纳光学等领域。 关键词：物理光学，聚焦，矢量Rayleigh-Sommerfeld衍射理论，多台阶相幅型菲涅耳波带片，高数值孔径 中图分类号：O436.1 文献标识码：A doi:10.3788/LOP51.060501