相位板偏振偏转角对径向偏振光的梯度力分布的影响
径向偏振光的产生方法及应用
１ 引 言
激光自问世以来 ， 在工业领域发挥着越来越大的作用 。 激光作为横电磁波 ， 其电场矢量始终处于与其传 播方向垂直的平面内 ， 而偏振作为电磁波最基本的特征之一 ， 是由电场矢量表征的 。 在主平面内的电场矢量 的振动具有多种状态 。 根据振动状态的均匀性可以将激光分为均匀偏振光与非均匀偏振光 。均匀偏振光包 括通常所说的线偏振光 、 圆偏振光 、 椭圆偏振光 、 自然光和部分偏振光 。 非均匀 偏 振 光 为 径 向 偏 振 光 与 角 向 偏振光 。 最近的研究发现 ， 电矢量具有轴对称的偏振光在物理及材料加工方面具有不可替代的优势 ， 因而目前已 受到国内外学者的广泛关注 。 径向偏振光和角向偏振光刚好具有电矢量轴对称的特性 。 径向偏振光具有完 美的光束轴对称性 ， 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点 。 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型光束结构 、 卓越的光束特性 ； 径向偏振光和角向偏振光都是偏振本征 态， 它们在 ｃ切向的晶体内传播时 ， 不会发生电场矢量串扰的现象 ， 而均匀偏振光则没有这个性质 ； 径向偏振 光在高数值孔径的透镜聚焦下 ， 可以产生超越衍射极限的极小聚焦光斑 ， 比线偏振光和圆偏振光的聚焦光斑 质量更好 ； 在金属加工方面 ， 采用径向偏振光的金属切割效率是圆偏振光效 率 的 两 倍 。 另 一 方 面 ， 径向偏振 光相对于角向偏振光而言 ， 具有以下特性 ： 径向偏振光经过透镜聚焦系统后 ， 在远 场 能 形 成 单 个 极 小 的 聚 焦 而角向偏振光则形成多个聚焦光斑 ； 在金属切割中 ， 由于径向偏振光始终是 ｐ 分量的偏振光 ， 其方向始 光斑 ，
５ ０， ０ ３ ０ ０ ０ １
激光与光电子学进展
ｗｗｗ． ｏ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ． ｎ ｅ ｔ ｐ ｊ
研究光的偏振性质对光的强度和方向的影响
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光的偏振性质
光的强度与偏振的关系
光的方向与偏振的关系
光的偏振性质的实际应用
光的偏振性质的研究意义
目录
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01
光的偏振性质
02
光的偏振现象
光的偏振：光波电场振动的方向
肿瘤学：偏振光可以用于肿瘤学检查，如乳腺癌、前列腺癌等
生物化学：偏振光可以用于生物化学研究，如蛋白质、DNA等分子的结构与功能研究
光的偏振性质的研究意义
06
对光的本质的深入理解
光的偏振性质在光学通信、光学测量、光学成像等领域有着广泛的应用，研究其对光的强度和方向的影响有助于推动相关技术的发展。
光的偏振性质是光的基本属性之一，研究其对光的强度和方向的影响有助于深入理解光的本质。
05
摄影中的偏振滤镜
偏振滤镜的使用方法：旋转滤镜，调整至最佳效果
偏振滤镜的作用：消除反光，增加色彩饱和度，提高图像清晰度
偏振滤镜的原理：利用光的偏振性质，过滤掉特定方向的偏振光
偏振滤镜的种类：线性偏振滤镜、圆形偏振滤镜、可变偏振滤镜等
液晶显示器的原理
光学仪器中的偏振光应用
偏振片：用于控制光的偏振状态，如偏振显微镜、偏振相机等
光的偏振性质与光的传播、反射、折射等光学现象密切相关，研究其对光的强度和方向的影响有助于揭示光学现象的本质。
光的偏振性质的研究有助于揭示光的微观结构，为量子力学等基础科学的发展提供新的视角。
对光学仪器和技术的推动作用
光的偏振性质是光学仪器和技术的基础，如偏振片、偏振棱镜等
研究光的偏振性质对光的强度和方向的影响
汇报人：XX 2024-01-17
目 录
• 引言 • 光的偏振性质基本理论 • 光的强度和方向受偏振性质影响实验设计 • 实验结果分析与讨论 • 光的偏振性质在实际应用中的价值 • 结论与展望
01
引言
光的偏振性质简介
偏振现象
光波在传播过程中，光矢量（即电场强度矢量E和磁场强度矢量H）仅在某一确定方向上 有分量，而在与该方向垂直的方向上光矢量没有分量或分量很小，这种现象称为光的偏振 。
发展光学技术
偏振光在光学技术中有着广泛的应用，如液晶显示、光学通信、光学测
量等领域。研究光的偏振性质有助于推动光学技术的发展和创新。
03
拓展应用领域
随着对偏振光研究的深入，人们发现其在生物医学、材料科学、环境科
学等领域也有着潜在的应用价值。因此，研究光的偏振性质有助于拓展
其应用领域并推动相关学科的发展。
偏振光的散射
光在物质中传播时，会与物质中的粒子发生相互作用，导 致光的传播方向发生改变，这种现象被称为散射。散射过 程中，光的偏振态也会发生变化。
03
光的强度和方向受偏 振性质影响实验设计
实验原理及装置
偏振光原理
光波是横波，其振动方向垂直于传播方向。当光通过某些物 质时，其振动方向会受到限制，形成偏振光。偏振光具有特 定的振动方向，可分为线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。
偏振光的分类
根据光矢量在传播过程中保持方向不变的特性，偏振光可分为线偏振光、圆偏振光和椭圆 偏振光。
偏振光的表示方法
通常采用琼斯矢量法和斯托克斯参量法来描述偏振光的性质。
研究目的和意义
01
揭示光的本质
通过研究光的偏振性质，可以深入了解光波的传播特性和光与物质相互
径向偏振光的产生与应用
摘要相比于其他具有传统偏振模式的光束，径向偏振光拥有更为优秀的轴向中心对称性(这种特征在传输过程中保持不变)。
人们投向径向偏振光的关注越来越多。
径向偏振光在高数值孔径条件下的聚焦特性在纳微级制造、操控中得到很多且正变得越来越多的应用。
在这篇论文中，我们首先试图理清径向偏振光的数学理论基础，仔细地阐述径向偏振光的光束特性和紧聚焦特性，并展示一些径向偏振光在紧聚焦条件下的示意图。
接着，我们介绍了利用两束偏振正交的线性偏正高斯光束产生径向偏振光的方法；总结了理想的径向偏振光与通过二元衍射光学器件产生的径向偏振光间的吻合度，以及该吻合度与传输距离的关系。
作为补充，其他一些产生径向偏振光的方式也被介绍出来。
紧接着，一项基于径向偏振光紧聚焦特性，被运用于微粒子操纵的应用技术（我们称之为三维光学链操纵技术）被展示出来。
为此，我们设计了一个光学衍射器件来调制径向偏振输入光的位相。
在紧聚焦情况下，一个光学链能产生的原因是光束通过光学衍射器上两个同轴区域时产生的位相变化，这样的位相变化使得聚焦场附近的空间中产生明暗交替的光场。
最后，我们论述了另外一些将径向偏振特性转化到实际运用中的方法。
关键字：径向偏振轴对称高数值孔径聚焦相干叠加三维光学链AbstractCompared with other uniformly polarized beams , the radially polarized beam performs perfect spatial axial symmetry and this special character kept when it transmits in free-space .This peculiarity gives rise to unique high-numberical-aperture focusing properties which has found important applications in nanoscale manufacture and manipulation . In this paper , we first overview those introductions we talked above .In the same time ,We also try to explain the mathematical concepts of radially polarized beam ; show some simple images of its focus properties .Then , we present a theoretical investigation of a technique for converting two orthogonally lineary polarized Gaussian beams into a radially polarized beam .We have shown the degree between the real radially polarized beam and the beam we created by a simple binary diffractive optical element ，further more，we show the results about how the transmission-distance influences the degree .By the way , we also talk about some other ways for generating radially polarized beam .After that , an application based on the focus property of radially polarized beam ,which we called optical chain ,used in particle-manipulation is shown . A diffractive optical element is designed to spatially modulate the phase of an incoming radially polarized Beam .For a tightly focused beam a three-dimensional optical chain can be formed because of the difference in the Gouy phase shift from two concentric regions of the diffractive optical element. At last , we present a lot about how those characters of radially polarized beam can be transformed into real applications.Key Words : Radially polarized Axial symmetry High-NA focusing properties Coherent superposition Three-dimensionaloptical chain目录摘要 (I)Abstract (II)1 前言 (1)2 径向偏振光的数学基础和特性研究 (2)2.1 径向偏振光的数学基础 (2)2.2 径向偏振光的紧聚焦特性 (3)3 径向偏振光的产生 (7)3.1 腔外相干叠加产生径向偏振光 (7)3.2 利用圆形布鲁斯特棱镜产生的径向偏振光 (11)3.3 利用亚波长光栅产生径向偏振光 (14)4 径向偏振光的应用 (16)4.1 紧聚焦径向偏振光产生三维光学链捕捉金属粒子 (16)4.2 径向偏振光在激光切割中的应用 (20)4.3 径向偏振光的其他应用 (24)5 总结 (27)致 (28)参考文献 (29)1 前言电磁场是物质的一种存在形式，它有特定的运动规律和物质属性，它能够与某些物质以一定方式相互作用。
光的偏振起偏和检偏
波片在光学干涉、调制、滤波 等领域有广泛应用，如光通信、 光学传感、激光器等。
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW ERA
06
光的干涉与衍射对偏振的影响
光的干涉对偏振的影响
干涉现象
当两束或多束相干光波在空间某一点叠加时，它们的光程 差会引起光强的变化，形成明暗相间的干涉条纹。
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
光学仪器
偏振滤镜
在摄影和电影制作中，偏 振滤镜用于消除反光和控 制光线的方向，提高影像 质量。
光学显微镜
偏振显微镜能够观察到生 物样本中微观结构的方向 性，如纤维和细胞器。
干涉仪
利用光的干涉现象，干涉 仪能够测量光波的相位差， 常用于物理和化学实验。
率，提高显示亮度。
视角控制
02
利用偏振片控制光的方向，LCD显示器可以实现宽视角显示，
使观看者在不同角度都能清晰地看到图像。
3D显示
03
通过佩戴偏振眼镜，LCD显示器可以实现3D显示效果，提供沉
浸式的观影体验。
04
光的偏振原理
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
偏振片通常由聚乙烯醇（PVA）或聚碳酸酯（PC）等高分子材料制成，具有轻便、 透光性好、耐冲击等优点。
偏振片在光学仪器、摄影、显示等领域有广泛应用，如太阳镜、摄影滤镜、液晶显 示器等。
尼科耳棱镜
尼科耳棱镜是一种利用棱镜对光进行 偏振的器件，它能使入射的非偏振光 分解成两个垂直的振动分量，分别对 应于棱镜的主轴和次轴。
液晶显示利用了偏振光的原理，通过 改变液晶分子的排列方式来控制光线 透过或反射，从而实现图像显示。
光的偏振及其应用
光的偏振及其应用一、光的偏振光的偏振（polarization of light）振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志。
光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象叫做光的偏振。
只有横波才能产生偏振现象，故光的偏振是光的波动性的又一例证。
在垂直于传播方向的平面内，包含一切可能方向的横振动，且平均说来任一方向上具有相同的振幅，这种横振动对称于传播方向的光称为自然光（非偏振光）。
凡其振动失去这种对称性的光统称偏振光。
自然光通过偏振片P之后，只有振动方向与偏振片的透振方向一致的光才能顺利通过，也就是说，通过偏振片P的光波，在垂直于传播方向的平面上，沿着某个特定的方向振动，这种光叫偏振光。
通过偏振片P的偏振光，再通过偏振片Q，如果两个偏振片的透振方向平行，则可以通过；如果两个偏振片的透振方向垂直，则不能透过Q（如图-1所示）。
根据偏振光的这个特性，在实际中有很多用途。
二、光的偏振的应用1．在摄影镜头前加上偏振镜消除反光自然光在玻璃、水面、木质桌面等表面反射时，反射光和折射光都是偏振光，而且入射角变化时，偏振的程度也有变化。
在拍摄表面光滑的物体，如玻璃器皿、水面、陈列橱柜、油漆表面、塑料表面等，常常会出现耀斑或反光，这是由于反射光波的干扰而引起的。
如果在拍摄时加用偏振镜，并适当地旋转偏振镜片，让它的透振方向与反射光的透振方向垂直，就可以减弱反射光而使水下或玻璃后的影像清晰。
例1．下列说法正确的是（）A．拍摄蓝天白云相片时，可以加用偏振镜片，突出蓝天中的白云B．一束自然光入射到两种介质的分界面上，当反射光线与折射光线的夹角恰好是90°时，反射光和折射光都是偏振光C．日落时分，拍摄水面下的景物，在照相机镜头前装上偏振滤光片可以使景物更清晰D．拍摄玻璃橱窗里的陈列物时，照相机镜头前的偏振片的透振方向应与反射光的振动方向平行分析：由于蓝天中存在大量的偏振光，所以用偏振镜能够调节天空的亮度，加用偏振镜以后，蓝天会变暗，从而突出了蓝天中的白云，所以A正确；自然光射到界面上时，反射光线与折射光线都是偏振光，当反射光和折射光的夹角为90°时，偏振程度最大，且两束光的振动方向垂直，所以B正确；拍摄水面下或玻璃橱窗内的景物时，应使偏振片的透振方向与反射光的振动方向垂直，这样反射光不能进入镜头，所以C正确，D错误。
高中物理光的偏振知识点归纳
高中物理光的偏振知识点归纳1、高中物理光的偏振发现说明1808年，马吕斯在试验中发现了光的偏振现象。
在进一步研究光的简单折射中的偏振时，他发现光在折射时是部分偏振的。
因为惠更斯曾提出过光是一种纵波，而纵波不可能发生这样的偏振，这一发现成为了反对波动说的有利证据。
1811年，布吕斯特在研究光的偏振现象时发现了光的偏振现象的经验定律。
2、高中物理光的偏振产生方法从自然光获得线偏振光的方法有以下四种：1、利用反射和折射。
2、利用二向色性。
3、利用晶体的双折射。
4、利用散射。
另外，线偏振光可以经过波晶片产生圆偏振光和椭圆偏振光。
3、高中物理光的偏振度在部分偏振光的总强度中，完全偏振光所占的成分叫做偏振度。
特征：偏振度的数值愈接近1，光线的偏振化程度就愈纯粹，一般偏振度都小于1。
4、高中物理光的偏振应用电子表的液晶显示用到了偏振光两块透振方向相互垂直的偏振片当中插进一个液晶盒，盒内液晶层的上下是透明的电极板，它们刻成了数字笔画的形状。
外界的自然光通过第一块偏振片后，成了偏振光。
这束光在通过液晶时，如果上下两极板间没有电压，光的偏振方向会被液晶旋转90度(这种性质叫做液晶的旋光性)，于是它能通过第二块偏振片。
第二块偏振片的下面是反射镜，光线被反射回来，这时液晶盒看起来是透明的。
但在上下两个电极间有一定大小的电压时，液晶的性质改变了，旋光性消失，于是光线通不过第二块偏振片，这个电极下的区域变暗，如果电极刻成了数字的笔画的形状，用这种方法就可以显示数字。
在摄影镜头前加上偏振镜消除反光在拍摄表面光滑的物体，如玻璃器皿、水面、陈列橱柜、油漆表面、塑料表面等，常常会出现耀斑或反光，这是由于光线的偏振而引起的。
在拍摄时加用偏振镜，并适当地旋转偏振镜面，能够阻挡这些偏振光，借以消除或减弱这些光滑物体表面的反光或亮斑。
要通过取景器一边观察一边转动镜面，以便观察消除偏振光的效果。
当观察到被摄物体的反光消失时，既可以停止转动镜面。
偏振光现象的观察和分析
偏振光现象的观察和分析偏振光现象的观察和分析引⾔：光的偏振现象有法国⼯程师马吕斯⾸先发现。
对光偏振现象的研究清楚地显⽰了光的横波性，加深了⼈们对光传播规律的认识。
近年来光的偏振特性在光调制器、光开关、光学计量、应⼒分析、光信息处理、光通信、激光、光电⼦器件中都有⼴泛应⽤。
本实验利⽤偏振⽚和1/4波⽚观察光的偏振现象，并分析和研究各种偏振光。
从⽽了解1/4波⽚和1/2波⽚的作⽤及应⽤，加深对光偏振性质的认识。
实验原理1、偏振光的种类。
光可按光适量的不同振动状态分为五类：（1）线偏振光（2）⾃然光（3）部分偏振光（4）园偏振光（5）椭圆偏振光使⾃然光变成偏振光的装置称为起偏器，⽤来检验偏振光的装置称为检偏器。
2、线偏振光的产⽣。
（1）反射和折射产⽣偏振⾃然光以 i B =arc tan n 的⼊射⾓从空⽓⼊射⾄折射率为n 的介质表⾯上时，反射光为线偏振光。
以 i B ⼊射到⼀叠平⾏玻璃堆上的⾃然光，透射出来后也为线偏振光。
（2）偏振⽚。
利⽤某些晶体的⼆向⾊性可使通过他的⾃然光变成线偏振光。
（3）双折射产⽣偏振。
⾃然光⼊射到双折射晶体后，出射的o 光和e 光都为线偏振光。
3、波晶⽚4、线偏振光通过各种波⽚后偏振态的改变。
在光波的波⾯中取⼀直⾓坐标系，将电⽮量E 分解为两个分量E X 和E y ，他们频率相同都为ω，设E y 相对E X 的相位差为?φ，即有E X =A x cos ωt （2）E y =A y cos(ωt +?φ) （3）由（2）、（3）两式得，对于⼀般情况，两垂直振动的合成为： e 轴O 轴θ光轴图 1E x2 A x2+ E y2A y22 E x2 E y2A x2A y2cos?φ=sin2?φ（4）注意对于线偏振光通过波⽚的情况?φ取决于o光和e光⼊射时的相位差和由波晶⽚引起的相位差δ之和；⽽ E X为线偏振光振幅E在o轴的分量， E y为e轴的分量。
从上⾯垂直振动合成的⼀般情况出发可以得出以下结论：（1）线偏振光的振动⽅向与波⽚的光轴夹⾓为θ或π/2，或者通过1/2波⽚仍为线偏振光。
光的偏振及其应用
光的偏振及其应用一、光的偏振光的偏振（polariz ationof light）振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志。
光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象叫做光的偏振。
只有横波才能产生偏振现象，故光的偏振是光的波动性的又一例证。
在垂直于传播方向的平面内，包含一切可能方向的横振动，且平均说来任一方向上具有相同的振幅，这种横振动对称于传播方向的光称为自然光（非偏振光）。
凡其振动失去这种对称性的光统称偏振光。
自然光通过偏振片P之后，只有振动方向与偏振片的透振方向一致的光才能顺利通过，也就是说，通过偏振片P的光波，在垂直于传播方向的平面上，沿着某个特定的方向振动，这种光叫偏振光。
通过偏振片P的偏振光，再通过偏振片Q，如果两个偏振片的透振方向平行，则可以通过；如果两个偏振片的透振方向垂直，则不能透过Q（如图-1所示）。
根据偏振光的这个特性，在实际中有很多用途。
二、光的偏振的应用1．在摄影镜头前加上偏振镜消除反光自然光在玻璃、水面、木质桌面等表面反射时，反射光和折射光都是偏振光，而且入射角变化时，偏振的程度也有变化。
在拍摄表面光滑的物体，如玻璃器皿、水面、陈列橱柜、油漆表面、塑料表面等，常常会出现耀斑或反光，这是由于反射光波的干扰而引起的。
如果在拍摄时加用偏振镜，并适当地旋转偏振镜片，让它的透振方向与反射光的透振方向垂直，就可以减弱反射光而使水下或玻璃后的影像清晰。
例1．下列说法正确的是（）A．拍摄蓝天白云相片时，可以加用偏振镜片，突出蓝天中的白云B．一束自然光入射到两种介质的分界面上，当反射光线与折射光线的夹角恰好是90°时，反射光和折射光都是偏振光C．日落时分，拍摄水面下的景物，在照相机镜头前装上偏振滤光片可以使景物更清晰D．拍摄玻璃橱窗里的陈列物时，照相机镜头前的偏振片的透振方向应与反射光的振动方向平行分析：由于蓝天中存在大量的偏振光，所以用偏振镜能够调节天空的亮度，加用偏振镜以后，蓝天会变暗，从而突出了蓝天中的白云，所以A正确；自然光射到界面上时，反射光线与折射光线都是偏振光，当反射光和折射光的夹角为90°时，偏振程度最大，且两束光的振动方向垂直，所以B正确；拍摄水面下或玻璃橱窗内的景物时，应使偏振片的透振方向与反射光的振动方向垂直，这样反射光不能进入镜头，所以C正确，D错误。
什么是径向偏振光？什么是角向偏振光？
什么是径向偏振光？什么是⾓向偏振光？
问：什么是径向偏振光？什么是⾓向偏振光？定义是什么？
答：常见的偏振光有线偏振光、圆偏振光以及椭圆偏振光。
有两种特殊的偏振光具有轴对称偏振特性，这就是径向偏振光和⾓向偏振光。
对于这两种偏振态的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<, 则该点的电场强度⼀般表⽰为ˆE( r ,θ) = E0 ( r)〔ƒrcos< + ƒθsin <〕,其中r 为径向的单位⽮量,θ是⾓向(切向) 的单位⽮量,当< = 0时,表⽰径向偏振⽮量:当< ≠0 时,为⾓向偏振⽮量。
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型光束结构; 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 切向晶体中传播时, 不会发⽣串扰; 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得焦点, ⽐线偏振光和圆偏振光的聚焦点⼩得多,⽽且焦点区域的纵向电场变得⾮常强。
问：径向偏振光与⾓向偏振光的主要应⽤是什么？
答：径向偏振光与⾓向偏振光的应⽤包括：引导和捕捉粒⼦、粒⼦加速、提⾼显微镜的分辨率、⾦属切割以及提⾼存储密度等。
研究光的偏振现象对光的强度和方向的影响
向不同，导致了光的偏振。
02
双折射
在某些晶体中，由于晶体的各向异性，光线在晶体内部传播时会发生双
折射现象，即一条入射光线会分成两条折射光线，这两条折射光线的振
动方向互相垂直，从而产生了偏振光。
03
散射
当光线通过不均匀介质时，光线会发生散射现象。散射光中不同振动方
向的光分量会以不同的角度散射出去，导致了光的偏振。
偏振光的叠加
当两束或多束偏振光叠加时，它们之间会发生干涉现象。 如果它们的振动方向相同，则干涉加强；如果它们的振动 方向垂直，则干涉相消。
02
实验方法与步骤
实验器材准备
偏振片
选择高质量的偏振片，确保其 对光的偏振态有准确的调控作 用。
角度调整装置
用于精确调整偏振片的角度， 如旋转台或角度计。
光源
偏振光性质与特点
光的强度
偏振光在某一特定方向上的振动强度会发生变化，而在与 该方向垂直的方向上振动强度为零。因此，可以通过调整 偏振片的角度来改变光的强度。
光的方向
偏振光的振动方向与传播方向垂直。对于线偏振光，其振 动方向始终保持在某一特定方向上；对于圆偏振光和椭圆 偏振光，其振动方向会绕着传播方向旋转。
生物医学领域中应用举例
偏振光显微镜
利用偏振光照明样品，通过检测 样品对偏振光的改变来获取样品 的结构和性质信息，广泛应用于
生物医学研究中。
偏振光成像技术
通过检测生物组织对偏振光的散射 和吸收特性，可以获取生物组织的 结构、功能和代谢信息，用于疾病 的诊断和治疗。
偏振光光谱技术
利用偏振光与生物分子相互作用产 生的光谱变化，可以研究生物分子 的结构和功能，为生物医学研究提 供新的手段和方法。
实验十一偏振现象观察与分析
实验十一偏振现象的观察与分析光波是电磁波，其电矢量的振动方向垂直于传播方向，是横波．由于普通光源各原子分子发光的随机和无序性，光波电矢量的分布<方向和大小）对传播方向来说是对称的，反应不出横波特点，这种光称为自然光．如果限制了某振动方向的光而使光线的电矢量分布对其传播方向不再对称时，这种光称为偏振光．对于偏振现象的研究在光学发展史中有很重要的地位，光的偏振使人们对光的传播<反射、折射、吸收和散射）规律有了更透彻的认识，本实验将对光偏振的基本性质进行观察、分析和研究．·实验目的1.观察光的偏振现象，掌握产生和检验偏振光的原理和方法，学会确定偏振片的透振方向，验证马吕斯定律；2．用反射起偏法测量平面玻璃的布儒斯特角，求得玻璃的折射率；3．了解λ/4波片、λ/2波片的工作原理和作用<任选其中部分内容）；·实验仪器光具座，He—Ne激光器，光点检流计，光电转换装置，GPS-Ⅱ型偏振光实验仪<包括偏振片×2，λ/4波片×2，λ/2波片×2，背面涂黑的玻璃片及刻度支架，小孔光阑，白屏）．图1 实验仪器<重拍）偏振片及刻度旋转装置：由直径为2cm的偏振片固定在转盘上制成，转盘上指针的位置不一定是偏振片的透振方向．波片及刻度旋转装置：由直径为2cm的波片固定在转盘上制成，转盘上指针的位置不一定是波片的快轴或慢轴的位置．·实验原理从自然光获得偏振光的办法有3种，即利用二向色性的材料制作的偏振片；利用晶体的双折射性质做成的偏振棱镜；利用光学各向同性的两介质分界面上的反射和折射．本实验中所用的偏振片是利用二向色性的材料制作的．一、起偏、检偏与马吕斯定律将自然光变成偏振光的过程称为起偏，检查偏振光的装置称为检偏．按照马吕斯定律，强度为I0的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为：<12-1）式中I0为入射线偏光的光强，为入射光偏振方向与检偏器透振轴之间的夹角．显然，当以光线传播方向为轴转动检偏器时，透射光强度I将发生周期性变化．当=时，透射光强度最大；当=时，透射光强度最小<消光状态）；当<<时，透射光强度介于最大值和最小之间．因此，根据透射光强度变化的情况，可以区别光的不同偏振状态．实验中让入射光共轴依次通过两个偏振片，旋转检偏器，读出不同角下出射光的强度，验证马吕斯定律．二、布儒斯特定律和反射光的偏振当自然光在空气中以某角度入射至折射率为n的透明介质表面时，若反射线与折射线垂直，则其反射光为完全的线偏振光，振动方向垂直于入射面；而透射光为部分偏振光．此规律称为布儒斯特定律，入射角称为布儒斯特角，如图11-2所示．<12-2）实验中可通过用振动方向垂直于入射面的线偏光入射，再用检偏器检查反射光是否消光来确定布儒斯特角，求出玻璃材料的折射率n.图11-2 布儒斯特定律示意图三、λ/4波片与λ/2波片波片是从单轴晶体中切割下来的平行平面板，其表面平行于光轴．当一束单色平行自然光正入射到波片上时，光在晶体内部便分解为o光与e光．o光电矢量垂直于光轴；e光电矢量平行于光轴．而o光和e光的传播方向不变，仍都与表面垂直．但o光在晶体内的速度为，e光的为，即相应的折射率、不同．设晶片的厚度为，则两束光通过晶体后就有位相差<12-3）<12-4）式中λ为光波在真空中的波长．的晶片，称为全波片；的称为半波片<λ/2波片）；为λ/4片，上面的k都是任意整数．不论全波片，半波片或λ/4片都是对一定波长而言．在直角坐标系下，以e光振动方向为横轴，o光振动方向为纵轴，则沿任意方向振动的平行光，正入射到波片的表面后，其振动便按此坐标系分解为e分量和o分量．透过晶片，二者间产生一附加位相差σ，离开晶片时合成光波的偏振性质，决定于σ及入射光的性质．1.偏振态不变的情形：<1）自然光通过任何波片，仍为自然光；<2）若入射光为线偏振光，其电矢量E平行e轴<或o轴），则任何波长片对它都不起作用，出射光仍为原来的线偏振光．2.λ/2波片与偏振光<1）若入射光为线偏振光，且振动方向与晶片光轴成角，则经λ/2玻片出射的光仍为线偏振光，但与光轴成负角．即线偏振光经λ/2片电矢量振动方向转过了2角．<2）若入射光为椭圆偏振光，则经λ/2玻片后，既改变椭圆长<短）轴的取向，也改变椭圆的旋转方向；若入射光为圆偏振光，出射的只是改变了旋转方向的圆偏振光．3.λ/4波片与偏振光<1）若入射光为线偏振光，当角为450时，经λ/4波片后的出射光为圆偏振光，其余情况下为椭圆偏振光；<2）若入射光为圆偏振光，则出射光为线偏振光；<3）若入射光为椭圆偏振光，则出射光一般仍为椭圆偏振光，<详见利萨如图11-3）．图11-3 同频率、振动方向垂直的两振动合成的利萨如图·实验内容与步骤1．定偏振片光轴：把两个偏振片插入光具座，接入光电转换装置及光点检流计，调至共轴．旋转第二个偏振片，使光屏显示消光，此即表示起偏器的透振轴与检偏器的透振轴相互垂直．再从=00开始到900每隔100读一个光电流值，用坐标纸作图验证<12-1）式马吕斯定律．2．测量玻璃板的布儒斯特角，求得玻璃的折射率：在上述1的基础上，撤掉检偏器，将装有底座的待测玻璃片插入光具座，共轴调节后，使玻璃板的法线方向与入射光线重合，记录指针的位置．旋转玻璃片所在的平面，用白板跟踪接收反射光．当入射角在某个特定角附近，仔细旋转起偏器，观察接收屏上光强变化，当光强最小时固定起偏器，再微旋玻璃片的方位，找到光强最弱位置；重复上述调整至消光，此时读出光线对玻璃片的入射角即为玻璃板的布儒斯特角；测量5次，根据<12-2）式计算玻璃的折射率．且与标称值作比较，计算标准偏差．3．考察平面偏振光通过λ/2、λ/4波片时的现象：<选做）<1）在两块偏振片之间插入λ/2波片，旋转检偏器一周，观察消光的次数并解释这现象．<2）将λ/2波片转任意角度，这时消光现象被破坏．把检偏器转动一周，观察发生的现象并作出解释．<3）仍使起偏器和检偏器处于正交<即处于消光现象时），插入λ/2波片，使消光，再将转150，破坏其消光．转动检偏器至消光位置，并记录检偏器所转动的角度．<4）继续将λ/2波片转150<即总转动角为30度），记录检偏器达到消光所转总角度．依次使λ/2波片总转角为450，600，750，900，分别记录检偏器消光时所转过的角度．<5）使起偏器和检偏器正交，中间插入λ/4波片，转动λ/4波片使消光．再将λ/4波片转动150，300，450，600，读出相应的光电流，并分析这时从λ/4波片出来光的偏振状态．·实验数据测量0°10°20°30°40°50°60°70°80°90°I次序 1 2 3 4 5 6 平均入射光方向出射光方向布儒斯特角3.平面偏振光通过λ/2波片时的现象半波片转动角度15°30°45°60°75°90°检偏器转动角度4.平面偏振光通过λ/4波片时的现象λ/4波片转动的角度检偏器转动360度观察到的现象光的偏振性质1．仔细阅读偏振光实验指导及操作说明书，操作中注意首先做“消除暗电流记录”的测试前准备；每步实验前在光具座上用小孔屏调整光路共轴；2．检测光电流时必须确认表针基本停稳后才可以读数<或指针波动大时估读中间值）．偏振光最普遍的来源之一是自然光经电介质表面反射这个无所不在的物理过程．人类生活中来自玻璃、水面等所有表面的反射光和散射光，一般都是部分偏振光．这个规律是马吕斯在1808年开始研究的．巴黎科学院悬赏征求双折射的数学理论，马吕斯就着手研究这个问题．一天傍晚，他站在家中的窗户旁边研究方解石晶体．当时夕阳西照，夕阳从离他家不远的卢森堡宫的窗户上反射到他这里来．他拿起了方解石晶体，通过它观察反射来的太阳的像．使他感到意外的是当转动方解石晶体时，双像中的一个像消失了．太阳下山之后，夜里他继续观察从水面上和玻璃面上反射回来的烛光来核实他的实验．≈56°时消光效果最显著．但在用一支蜡烛和一片玻璃试一试，把玻璃放在θP近掠入射时，两个像都很明亮，无论怎样转动晶体，哪个像都不会消失．马吕斯显然很幸运，站在对着宫殿窗户的一个恰当的角度上．致使他发现了偏振光的规律．普通非晶体材料受到应力时变成各向异性，有双折射．用偏振光的干涉条纹分布的疏密和走向来确定材料的内应力大小．电光开关是指电场使某些各向透明的介质变为各向异性，使光产生双折射，称kerr effect，用电信号控制光信号．光电偏振研究在光调制器、光开关、光学计量、光信息处理、光通信、激光和光电子学器件、晶体性质研究和实验应力分析等技术中有广泛的应用．中学物理课标对偏振及相关内容的要求是：1.通过实验认识光的干涉、衍射、偏振现象以及在生活、生产中的应用；2.用偏振片观察玻璃面反射光、天空散射光的偏振现象；3.用偏振片鉴别普通玻璃和天然水晶，探究这种技术的物理原理．本实验的构思亮点：因为不加布儒斯特窗的半导体激光器发出的光其振动方向与自然光相似，细光束的传播方向集中，使实验操作极大简化，物理思路更加清晰；光具座上可供选择的内容开放，可增加学生的动手动脑兴趣．<零点测量法）操作难点：微电流读数受环境和仪器的影响因素较多，难以准确读数，偏振元件旋转角度最小分度1°，组装粗糙，影响了测量精度．1.本实验为什么要用单色光源照明？根据什么选择单色光源的波长？若光波波长范围较宽，会给实验带来什么影响？2.在确定起偏角时，若找不到全消光的位置，根据实验条件分析原因．3.三块外形相同的偏振片、1/2波片、1/4波片被弄混了，能否把它们区分开来？需要借助什么元件？若能，试写出分析步骤．4. 在透振方向互相垂直的起偏和检偏两片偏振片中插入1/2波片，使光轴和起偏器的透振方向平行，那么透过检偏器的光是亮还是暗？为什么？将检偏器旋转90度，透出的光亮暗是否变化？5.波片加工精度和激光波长漂移会对1/4波片产生的光程差带来误差．试根据波片对线偏振光产生的位相差和光程差公式，对波片厚度和激光波长作一个半定量的估计一般以1/2波长为限．6.已知什么量？哪个是待测量？如何控制变量？关注检流计的量程并做适当调节．按要求处理实验数据，完成实验报告．7.本实验还有哪些操作难点？针对操作难点，摸索并掌握正确的调节的方法．尝试设计实验，探究圆偏振光、椭圆偏振光的产生和检验方法，并完成实验．。
12基础物理学第三版第12章光的偏振
它们通过偏振片后的光强分别为 I ，I1 ，I2 。
1 I I1 I 2 I10 I 20 cos 2 I 2 I 20 cos 2 1 1 I max I10 I 20 I min I10 I 的最大和最小值分别为 ： 2 2 1 1 I10 1 I 20 2 根据题意： I10 I 20 5 I10 即： 2 2 I0 3 I0 3
P1 自然光从P1出射后，变成强 度为I0的线偏振光，又入射 到与P1成夹角为的偏振片P2 上。
自然光
I0
P2
I
P1 A0
从P2出射的偏振光振幅A与入射偏 振光的振幅A0有关系：
P2
A A0 cos
A
因此有光强关系：
I I 0 cos
2
——马吕斯定律。
第二节 偏振片的起偏和检偏 马吕斯定律
空气
n1 n2
玻璃
i i
r
自然光反射和折射后产生 部分偏振光
注：入射面是指入射光线和法线所成的平面。 特别地，当入射角为特殊角i0 时，反射光为光振动垂直入射面的 线偏振光。i0为起偏振角，也叫布儒斯特角。
第三节 反射光和折射光的偏振 一、布儒斯特(Brewster)定律
当入射角为布儒斯特角 i0 时，有关系：
2
9 9 I I 2 cos 30 I 1 cos 30 cos 30 I 0 I 4 32
2
2 2
第二节 偏振片的起偏和检偏 马吕斯定律
例2 一束光由自然光和线偏振光混合组成，当它通过一个转动的 例 偏振片时，透射光光强的最大值是最小值的 5 倍。求入射光中自 然光和线偏振光的光强各占入射光光强的几分之几？
20光的偏振详解
电磁波在界面处的反射与 折射时电场场强分量关系 （Fresnel 反射折射公式）
E1
i
正方向 定义
E1
n1
n2
E1 n1 cos i n2 cos sin(i ) sin(i ) E1 垂直 n1 cos i n2 cos
E 2
例题3 ： 由自然光和线偏振光混合成部分偏振光。 随着检偏器的转动发现 Imax= 6 Imin ，求部分 偏振光中这两种成份的光强比。 解：设自然光光强为I0，线偏振光光强为I。 当检偏器的透光轴与线偏振光的振动方向-1 I max I 0 I 平行 2 I0 2 1 I 5 I min I 0 垂直 2 1 1 I0 I 6 I0 依题意 2 2
［另有物质具圆二向色性，对左旋和右旋的圆偏振光 的吸收不同，可制成圆偏振片（如半波片，1/4波片）.
自然光通过检偏器
线偏振光通过检偏器
部分偏振光通过检偏器
圆偏振光通过检偏器
椭圆偏振光通过检偏器
偏振化方向： 当自然光照射在偏振片上时让某一特定方向的光通 过，这个方向称为此偏振片的偏振化方向。
i / 2， E1平行 0 反射光无平行于入射面的
场强分量（完全偏振）
（半波损失的由来）
n2 taniB n1
若 n1=1 •玻璃 n2=1.5 ， iB 56.3
•水 n2=1.33 ，
注意：
iB 53.1
1）当入射角为布儒斯特角时，反射光为振动方向 垂直入射面的线偏振光，而折射光仍为振动方 向平行于入射面的成分占优势的部分偏振光。
§20.3 反射和折射时光的偏振
一、实验现象 （Malus, 1808) 自然光 部分偏振光
径向偏振光束特性理论研究
华中科技大学硕士学位论文径向偏振光束特性理论研究姓名：王慧东申请学位级别：硕士专业：光电信息工程指导教师：王又青20090527华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文摘要径向偏振光束是一种新颖的、形式独特的偏振光模式，其偏振机制与传统的线偏振和圆偏振有所不同。
径向偏振光属于轴对称偏振，属于各向异性偏振形式。
径向偏振的优越的光束特性被科学界所重视，许多实验提出了不同的实际产生径向偏振光束的方法，并在不断提高其输出功率、纯度和稳定性。
径向偏振光束被某些尖端科学所应用，并取得了良好成果，证明了径向偏振光束的理论价值和广泛应用前景。
本文主要从径向偏振光的传输特性、径向偏振光束的实验产生方法和径向偏振光束的尖端应用几个方面对径向偏振光理论进行详细的分析与讨论。
对径向偏振光的传输特性进行系统研究，从光波的近轴传输理论出发，讨论了几种重要光波模式解的表达式及相互联系，从而进一步得出径向偏振光束的近轴近似光束模式解的解析表达式。
由角光谱法的理论分析模型，推导了径向偏振光束的非近轴传输表达式，并模拟了相应的场分量强度分布和模式图。
提出一种新颖的、可行性强的实验产生径向偏振光束的方法。
谐振腔尾镜和输出耦合镜都用特殊结构的锥形镜代替，其整体结构紧凑，并适用于大功率的情况。
分析了径向偏振光束的聚焦场分量表达式，模拟出了相应的各光场分量的模式图。
基于径向偏振光聚焦下的优越特性，讨论了它的几种尖端科技应用，如：激光切割金属、相对论粒子加速、光学显微，从而充分体现了径向偏振光束的实际应用潜力和广阔发展前景。
关键词：轴对称偏振径向偏振光光波传输锥形镜聚焦特性激光切割粒子加速光学显微华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文AbstractRadially polarized laser beam (RPB) is a novel type of laser beams with unique polarization mode. Its polarization type is quite different from the conventional linearly or circularly polarized laser beams. RPB is typically axially symmetric polarized laser beam, or inhomogeneously polarized laser beam. RPB had attracted great attention both in scientific researches and industries, and many experiments have being tried to generate RPB as well as to improve its output power, purity and stability. Recently, RPB is found applications in some sophisticated fields of science, from which it has been proven to be with significant theoretical value and tremendous practicability.This thesis mainly discusses the theoretical properties of RPB from three issues of problem referring the optical propagation features of RPB, its experimental generation and its practical uses in several technologies. From the theories of optical wave propagation, we first discuss the the paraxial propagation of RPB, then by using the angular spectrum theory the nonparaxial propagation features of RPB have been analyzed. Next, it is suggested a novel method of experimental generation of RPB from a laser cavity with particular rear mirror. The entire configuration is compact and it is suitable to be applied under high power condition. The focus of RPB with high numerical aperture is analyzed and the related laser modes are simulated. Based on the properties of focused RPB, some of its technological applications have been discussed, from which RPB is proven to have great scientific value and extensive practical prospects.Key words：Axially symmetric polarization radially polarized beamoptical wave propagation axicon mirror focusing propertieslaser cutting laser acceleration optical microscopy独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
大学物理学：光的偏振
2、问题 一束光强为I0的自然光透过检偏器，透射光强为I0 /2
2、问题
一束光强为I0的自然光透过检偏器，透射光强为I0 /2
M
I0 • • • o • • •
I0 2
14 双折射 偏振棱镜
一、光的双折射现象 1、光的双折射现象
14 双折射 偏振棱镜
一、光的双折射现象 1、光的双折射现象
天然的方解石晶体 是双折射晶体
P＝ Imax Imin Imax Imin
2、光的偏振度
•自然光：
三、偏振度
1、定义：
若与最大和最小振幅对应的光强分别为Imax和Imin，则 偏振度的定义为
P＝ Imax Imin Imax Imin
2、光的偏振度
•自然光：
Imax=Imin，P=0，偏振度最小；
三、偏振度
1、定义：
四、偏振片 起偏和检偏
2、偏振片
是一种人工膜片，对不同方向的光振动有选择吸收的性能， 从而使膜片中有一个特殊的方向，当一束自然光射到膜片 上时，与此方向垂直的光振动分量完全被吸收，只让平行 于该方向的光振动分量通过，即只允许沿某一特定方向的 光通过的光学器件，叫做偏振片。这个特定的方向叫做偏 振片的偏振化方向，用“ ”表示。
...
u
y
x
u
二、偏振态的分类 1、自然光
各个方向上光振动振幅相同的光，称为自然光。 特点： •③自然光的表示方法：圆点与短线等距离地交错、均匀地画出。
• •••••
2、线偏振光
•定义：在垂直于传播方向的平面内， 光矢量只沿某一个固定方向振动， 则称为线偏振光，又称为平面偏振 光或线偏振光。
线偏振光的表示法
•在所有可能的方向上，光矢量的振幅都相等； •自然光可分解为振动方向相互垂直但取向任意的两个线偏振光， 它们振幅相等，没有确定的相位关系，各占总光强的一半。
偏转 相位梯度
偏转相位梯度
偏转相位梯度是指在加速器中，粒子束通过弯曲磁铁时产生的相位变化。
在弯曲磁铁中，由于电磁场的作用，粒子束被弯曲偏转了一定角度，同时粒子的相位也会发生变化。
此时，相位的变化量与磁场变化的梯度有关，称为偏转相位梯度。
偏转相位梯度是加速器中的一个非常重要的参数，因为它决定了粒子在通过弯曲磁铁时的相位变化量，从而影响加速效果和束流的稳定性。
因此，在加速器的设计和调试中，需要精确计算和控制偏转相位梯度，以保证加速器的性能和稳定性。
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径向偏振光通过同心分区相位板调制后，光束横截面示意图如图３所示。其中声，，，５：和九分别是中心圆区、内
圆环部分、外圆环部分相对于径向方向的偏振偏转角，即，伫和弘分别表示中心圆区、内圆环部分、外圆环部分
Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ａｐｏｄｉｚｅｄ ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ 图２带有偏振偏转相位板的会聚系统示意图
２结果与讨论 模拟结果以几何聚焦中心为２轴零点。首先，我们研究妒·一伽＝也一乒。－－－－０，纰＝霄，ｂ－－－－７／６，ａ＝７ｘ／１８，∞
‘ ＝ｓｉｎ（４７ｃ／９），乒。不同时梯度力的变化情况，如图４所示，图中箭头表示梯度力方向。由图４中可见，随着偏振 旋转角奶的变化，梯度力的大小和方向同时发生改变：当乒ｚ一７／２０时，产生两个椭圆形光陷阱对称分布于几 何焦点两侧；随着乒。增大到３７／２０，椭圆形光陷阱渐渐远离几何焦点，其间出现一个圆环形梯度力分布；当拳ｚ
第２１卷第１期 ２００９年１月
强 激 光 与粒 子 束
ＨＩＧＨ ＰＯＷＥＲ ＬＡＳＥＲ ＡＮＤ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＢＥＡＭＳ
文章编号： １００１—４３２２（２００９）０１—００３９—０４
Ｖ０１．２１，Ｎｏ．１ Ｊａｎ．，２００９
相位板偏振偏转角对径向偏振光的梯度力分布的影响。
李劲松１， 高秀敏２
（１．中国计量学院光学与电子科技学院，杭州３１００１８， ２．杭州电子科技大学电子信息分院，Байду номын сангаас州３１００１８）
关键词：径向偏振光，梯度力；相位板；光陷阱
中匪分类号：Ｑ６３１
文献标志码：Ａ
径向偏振光由于其在焦点区域电场的特殊性质吸引了很多学者对其进行研究¨引，它在显微成像嘲，平板 印Ｉｉ，Ｉ Ｅ引，电子加速Ⅲ，光镊‘８３等方面发挥着重要作用。光镊为微操作过程提供了一种非常简便且非损伤的研究 方法‘。ｍ］。现有用于构建光镊的方法，包括衍射光学元件ｍ］、全息技术‘１４１和两激光束相干涉的方法ｍ３等。经 偏振偏转相位板调制的径向偏振光，可灵活地调控其生成的光镊。本文研究了相位板偏振偏转角对径向偏振 光在聚焦系统焦点区域光梯度力的调制效应。
梯度力。梯度力可表示如下ｍ３
Ｆｇｆａｄ一学、优ｍ２＋－－２１ Ｊ．Ｖ ｌ Ｅ（ｒ，ｚ）ｌ ２
（３）
式中：‰是被捕捉微粒半径；桃是周围介质的折射率；ｍ是相对折射率（即微粒折射率与周围介质折射率的 比）。在微粒折射率大于周围介质的情况下，梯度力Ｆｇ砌指向光强极大处。将方程（２）代入方程（３）可以得到焦 点区域的梯度力分布。
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Ｅ（似）＝２／Ａ∑ｃｏｓ＃ｊｅｘｐ（＠ｉ）ｒ Ｃ０５Ｖ２０Ｐ（０）ｓｉｎ２刃。（ｋｒｓｉｎ￥）ｅｘｐ（ｉｋｚｃｏｓ￥）ｄＯ
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式中：ｋ是波数；Ｐ（口）是光瞳函数。光场中加在微粒上的力包括梯度力和散射力。本文只研究了加在微粒上的
同心分区相位板各部分的偏振旋转角的改变，聚焦光斑会改变，光学梯度力方向及大小也明显变化，且产生许 多不同的光陷阱图样，这些结果显示同心分区相位板调制径向偏振光可以用来生成可调光镊。
参考文献：
［１３ Ａｓｈｋｉｎ Ａ，Ｄｚｉｅｄｚｉｃ Ｊ Ｍ。Ｂｊｏｒｋｈｏｌｍ Ｊ Ｅ。ｅｔ ａ１．Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｓｉｎｇｌｅ－ｂｅａｍ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｆｏｒｃｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒａｐ ｆｏｒ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ［Ｊ］．Ｏｐｔ Ｌｅｔｔ，
（１０）ｌ １５０９—１５２０． ＩＳ］Ｙｏｕｎｇｗｏｒｔｈ Ｋ Ｓ，Ｂｒｏｗｎ Ｔ Ｇ．１ｎｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃ ｏｆ ＳＰＩＥ．２０００，３９１９；７５·８５．
［６］ＭａｃＤｏｎａｌｄ Ｍ Ｐ。Ｓｐａｌｄｉｎｇ Ｇ Ｃ，Ｄｈｏｌａｋｉａ Ｋ．Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ ｓｏｒｔｉｎｇ ｉｎ ａｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｌａｔｔｉｃｅ［Ｊ］．Ｎａｔｕｒｅ，２００３，４２６：４２１—４２４． ［７］Ｌｉａｎｇ Ｈ，Ｗｒｉｇｈｔ Ｗ Ｈ，Ｒｉｅｄｅｒ Ｃ Ｌ，ｅｔ ａｌ，Ｍｉｃｒｏｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｈｒｏｍｏｓｏｍｅｓ ｉｎ ＰｔＫ２ ｃｅｌｌｓ ｕｓｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｍｉｃｒｏｓｕｒｇｅｒｙ ｉｎ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｌａ。
１９８６．１ｌ ｌ ２８８—２９０．
［２］ＭａｃＤｏｎａｌｄ Ｍ Ｐ，Ｐａｔｅｒｓｏｎ Ｌ，Ｖｏｌｋｅ－Ｓｅｐｏｌｖｅｄａ Ｋ。ｅｔ ａ１．Ｃｒｅａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｏｐｔｉｃａｌｌｙ ｔｒａｐｐｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｊ］．
Ｓｃｉｅｎｃｅ。２００２，２９６（５５７０）ｌ １１０１—１１０３．
１光学聚焦系统及原理
在本文的聚焦系统中，入射光束为径向偏振光束，径向偏振光束是
偏振态具有空间轴对称性的光束，其电矢量振动方向在光束横截面上
始终沿着径向，如图１所示。
会聚系统如图２所示，径向偏振光束通过一个同心分区相位板会
聚到一个物镜，会聚系统处于空气中，周围介质折射率为１。会聚系统
中的同心分区域相位板截面可以分成３个区域：中心圆区，内圆环部
［３］Ｇｒｉｅｒ Ｄ Ｇ．Ａ ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｎａｔｕｒｅ，２００３，４２４（６９５０）：８１０—８１６． ［４］ｌｇｎａｔｏｖｉｃｈ Ｆ Ｖ。Ｈａｒｔｓｃｈｕｈ Ａ，Ｎｏｖｏｔｎｙ Ｌ．Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｕｓｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｆｏｒｃｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｏｄｅｒｎ Ｏｐｔｉｃｓ，２００３。５０
，一丌／５时，在几何焦点附近出现一个中央环形光陷阱，其内环梯度力方向沿半径指向外，而外环梯度力方向沿 半径指向内，中央环形光陷阱两端对称地分布着两个椭圆形光陷阱；声ｚ进一步增大到９丌／２０时，原来的圆环形
Ｆｉｇ．４ Ｏｐｔｉｃａｌ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｆｏｒｃｅ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ如ｗｈｅｎ卿＝弘一≯ｌ＝南＝Ｏ，９ｎ＝Ⅱ，６２“／６，口２７ ７ｒ／１８，ｗ＝ｓｉｎ（４ｘ／９） 图４即＝弘一声ｌ一南＝０·９ｎ＝Ⅱ，６＝霄／６，ｎ一７ｘ／１８，∞２ｓｉｎ（４ｘ／９）·赴不同时的梯度力变化
ｓｅｔ ｉｎｄｕｃｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｏｒｃｅｓ［Ｊ］．ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＣｅｌｌ Ｒｅｓ·１９９３，２０４：１１０—１１４． ［８］Ｚｈａｎ Ｑ Ｗ，Ｌｅｇｅｒ Ｊ Ｒ．Ｍｉｃｒｏｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｅｒ ｗｉｔｈ ｒａｄｉａｌ ｓｙｍｍｅｔｒｙ［Ｊ］．Ａｐｐｌ Ｏｐｔ，２００２，４１（２２）；４６３０。４６３４． ［９］Ａｓｈｋｉｎ Ａ，Ｄｚｉ既ｈｆｉｃ Ｊ Ｍ，Ｙａｍａｎｅ Ｔ．Ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒａｐｐｉｎｇ ａｎｄ ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｃｅｌｌｓ ｕｓｉｎｇ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｌａｓｅｒ ｂｅａｍｓ［Ｊ］．Ｎａｔｕｒｅ·１９８７，３３０，
分，外圆环部分。若用易（歹一０，１，２，３）代表原点及３个区域各部分的Ｆｉｇ．１ Ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｒａｄｉａｌｌｙ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｂｅａｍ
外半径对应的会聚角。则可设００＝Ｏ，０－一６，晚＝口，鼠一ａｒｃｓｉｍｏ（ｏｕ为聚
图１径向偏振光示意图
焦系统数值孔径）。图中ｚ，Ｙ，ｚ表示直角坐标系中的３个坐标分量，ｒ，９，ｚ表示柱坐标系中的３个坐标分量。
的电场为［１６］
Ｅ（ｒ，９，ｚ）一Ｅ，Ｐ，＋Ｅ．ｅ。＋Ｅｅ９
（２）
式中：ｅ，和Ｐ。分别是方位角方向、光轴方向上的单位向量。Ｅｒ，Ｅ。，Ｂ是３个垂直正交分量的振幅，表示为ｎ们
Ｅｒ（似）一Ａ∑ｃｏｓ九ｅｘｐ（ｉｇｉ）ｌ ＣＯＳｌ门０Ｐ（０）ｓｉｎ（２０）Ｊｌ（ｋｒｓｉｎｇ）ｅｘｐ（ｉｋｚｃｏｓｇ）ｄ￥
Ｊ＝Ｉ
万方数据
第１期
李劲松等：相位板偏振偏转角对径向偏振光的梯度力分布的影响
４１
梯度力分布衰减，并与两个椭圆形光陷阱融合成带形光陷阱。 令九一７ｃ／２，妒ｌ一伽＝乒１一ｏ，仇一７【，６一耳／６，ａ一７（／３，∞＝ｓｉｎ（４ｕ／９）的情况下，奶不同时，梯度力分布如
图５所示。从图５中可见：当奶＝７ｃ／２０时，在焦点区域产生了一个沿轴向分布的哑铃形光陷阱；随着簪。增大 到３丌／２０，其对应的梯度力图发生变化，原来的哑铃形光陷阱，逐渐分裂成双８字形光陷阱，在其中以几何焦点 为原点的４个象限对称分布４个光陷阱；继续增大走，双８字形光梯力逐渐衰弱，４个光陷阱逐渐沿轴向分离。 这些变化可应用于分离及沿不同方向运输微粒。
７６９—７７１．
［１０］Ｂｒｏｕｈａｒｄ Ｇ Ｊ，Ｓｅｈｅｋ Ｈ Ｔ，Ｈｕｎｔ Ａ Ｊ．Ａｄｖａｎｃｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｗｅｅｚｅｒｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｃｅｌｌｕｌａｒ ａｎｄ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃ— ｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００３，５０（１）１１２１—１２５．
万方数据
４２
强 激光 与 粒 子 束
第２１卷
个交迭的光陷阱变成为以焦点为中心的内圆域其梯度力向外，外圆环梯度力向内的双环形光陷阱，可用于囚禁 微粒ｆ当庐。接近３ｎ／１０时，双环形光镊的梯度力变弱，形状也逐渐变为矩形光陷阱；进一步增大，ｌｚ，光陷阱逐 渐呈现为长条形。
３结 论 本文分析了同心分区偏振偏转相位板对径向偏振光焦点区域梯度力摸式的调制效应。模拟结果表明随着
作者简介：李劲松（１９６９一），女，博士，主要从事衍射光学、光信息技术及光学检测技术的教学和研究ｆ ｌｉｊｉｎｓｏｎｇｓｏｎｇ（孕ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ．
万方数据
强激光与粒子柬