初级球差对椭圆偏振涡旋光束深聚焦影响分析

"本文研究了椭圆偏振涡旋光束在通过含有初级球差的高数值孔径透镜时的深聚焦特性。利用德拜矢量积分理论，分析了初级球差对右旋和左旋椭圆偏振光束聚焦场的影响。随着初级球差系数增加，光束强度减弱，空心结构扩大；右旋光束的相位分布出现螺旋形状，而左右旋光束的位错线半径增大，会聚点偏离焦平面，纵向光场发生改变。" 这篇研究探讨了光学领域中的一个关键问题，即初级球差对特殊类型光束——椭圆偏振涡旋光束——深聚焦特性的影响。椭圆偏振光束是一种具有非线性极化状态的光束，其特点是光的电场矢量在空间中呈椭圆轨迹旋转，而在时间上保持恒定的频率。涡旋光束则是在光束中心存在一个光强低的空心区域，边缘带有螺旋相位结构，导致光束携带角动量。 德拜矢量积分理论是光学中用于描述复杂光学系统中光波传播的重要工具，它可以准确计算出光束经过透镜后的复振幅分布。在本研究中，这一理论被用来分析高数值孔径透镜（NA）中初级球差对光束聚焦效果的改变。数值孔径代表透镜收集和发散光线的能力，高NA透镜可以实现更紧密的聚焦，但同时也更容易受到像差的影响，如初级球差。 初级球差是透镜设计中的一个常见问题，它导致光束不能完美地汇聚于一点，而是形成一个扩展的聚焦区域。本研究发现，随着初级球差系数的增加，椭圆偏振涡旋光束的强度降低，其内部的空心区域扩大。这对于依赖于精确光强分布的应用，如光学镊子、光刻或光学数据存储等，有着显著的影响。 更具体地，研究还揭示了右旋椭圆偏振光束的纵向分量相位分布呈现出螺旋结构，这与光束携带的拓扑荷有关。同时，不论右旋还是左旋椭圆偏振光束，它们的位错线半径随球差增加而增大，这意味着光束的相位结构发生了变化。位错线是涡旋光束特有的特征，它的半径变化可能会影响光束的角动量性质。 此外，研究指出会聚点的偏离，意味着焦平面上的光场结构发生变化，这对精确的光学测量和成像技术来说是一个挑战。这种现象可能导致聚焦效率下降，影响光学系统的性能。 这项工作提供了关于初级球差如何影响特殊偏振态涡旋光束深聚焦的新见解，对于理解和优化光学系统的设计，特别是在需要高精度和控制力的领域，如生物成像、量子光学和非线性光学等，具有重要的理论和实践价值。