光場聚焦
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
光場聚焦的實例教程
圓偏振光聚焦場光強（圖3第二行）偏振特性與線偏振相似，占主導地位的橫向分量呈現光斑形式。而呈現環狀分布的軸向分量使得光斑變大（圖5）。與線偏振不同之處在于光強分布是圓對稱的。
與線偏振光和圓偏振光對比，軸對稱矢量光束，徑向偏振光（圖3第三行）、角向偏振光（圖3第四行）的聚焦場都為中心對稱分布，但各偏振分量分布比較特殊。徑向偏振光的聚焦光斑仍為圓形，橫向分量為環形分布，軸向分量遠大于橫向分量，占主導地位，如圖6所示。同時軸向分量的半波瓣寬度遠遠小于總光強的半波瓣寬度，因此，通過一些手段,例如用高階模式徑向偏振光束照明[9]，或者結合環形光瞳濾波器[10,11]來增強軸向偏振分量，抑制橫向分量，從而得到較小的衍射光斑，在超分辨成像、激光加工等領域具有重要應用。而對于角向偏振光，聚焦光斑為純橫向分量的環形分布，如圖7所示。上述光場偏振特性都是用標量衍射積分所不能解釋的，說明在高數值孔徑系統中，矢量衍射理論才能準確描述光的傳播和聚焦特性。
4 結語
本文根據矢量衍射理論推導矢量偏振光束的聚焦光場積分表示，并采用MATLAB模擬仿真實現了聚焦光場分布的直觀顯示。基于矢量光束經透鏡聚焦的光場分布分析，在高數值孔徑系統中，矢量衍射光束聚焦場具有以下特征：
（1） 聚焦光場具有顯著的偏振特性，要用矢量衍射理論進行分析計算；
（2） 聚焦光場各偏振分量與入射光場偏振態相關，并且出現軸向偏振分量。經過高數值孔徑透鏡聚焦，光束的矢量偏振性質發生變化。徑向偏振光在焦點附近軸向分量占主導，角向偏振光保持空心場分布，不含軸向分量；
（3） 聚焦光斑受入射光偏振影響，利用矢量光束和高數值孔徑的緊聚焦特性，能實現超衍射光斑[9-11],在超分辨成像、激光加工等領域具有重要應用。
展開 在之前第15篇推送中，介紹了徑向偏振光和角向偏振光經過透鏡聚焦后的光場，當時是正好有文獻推導公式，
但是倘若沒有現成的文獻推導呢？那就得自己慢慢在草稿紙上推導。實驗中最常用的光源是線偏振高斯光，所以后來我慢慢推導了線偏振高斯光經過透鏡聚焦后的光場，并用comsol仿真出來。這個聚焦光場的仿真其實難度還挺大的，并不easy。至于其他光，比如圓偏高斯光，渦旋光等等，以后有空在慢慢推吧。
如下是我的仿真結果
付費內容如下
展開 紫外光刻鏡頭的作用是將投射光源產生的光場聚焦到光刻膠層上，并保持所需的分辨率和圖形質量。這些鏡頭通常使用紫外光源（波長通常在250至450納米之間），因為紫外光的短波長使得能夠獲得更高的分辨率。
紫外光刻鏡頭的主要特點包括：
1.高分辨率：紫外光的短波長使得光刻圖案可以獲得更高的分辨率，從而實現更小尺寸的芯片結構。
2.平面波前：紫外光刻鏡頭需要保持圖案的平面波前，以確保圖案的投影在整個芯片表面上都是均勻的。
3.大視場：紫外光刻鏡頭通常需要具有較大的視場，以便在單次曝光中覆蓋整個芯片區域。
4.低畸變：鏡頭設計需要盡可能減小像差和畸變，以確保投影的圖案保持形狀和精確度。
三．透射式光刻物鏡：
SYNOPSYS 的 DSEARCH 功能可以直接從零開始搜索初始結構。
由于光刻物鏡的鏡片數非常多，可以通過搜索前后兩部分的結構，再通過拼接優化的方式進行設計。
這是光刻鏡頭的前半部分以及搜索的 DSEARCH 文件，輸入的參數包括物方系統定義、元件數、F數、總長、后焦、材料、邊界條件等。搜索這樣一個11片全新的鏡頭所需要的時間不到5分鐘。
展開 亞波長尺度的光場聚焦：與射頻波段的偶極子天線相類比，光學天線可以將自由空間中的光頻電磁波匯聚于天線表面亞波長尺度的空間內，極大提高了光子的態密度，因此被廣泛應用于突破衍射極限，并增強光與物質的相互作用(light-matterinteraction)。
2.
光吸收與光熱轉換：制備光學天線的材料與制備微波波段電磁天線的材料一樣，可以是金，銀，鋁，銅等常見金屬。然而，金屬材料在光頻段已經不再像微波波段那樣可以等效為完純導體，而是對電磁波具有巨大損耗，也即材料折射率的虛部相對實部不再是無窮大。這一特性使得光學天線對光的損耗增大，可以用作光學吸收器(absorber)。而光學天線吸收的光能最后被轉化成熱能，體現為溫度的上升。該特性被用于熱紅外探測器，太陽能(thermal
photovoltaic)，以及腫瘤的治療。
3.
光學濾波，偏振選擇與相位操控：當光學天線被制備成陣列，又有了諸多新奇而有趣的特性。前面說過，在微波波段，有頻率選擇表面(Frequency
Selective Surface)和相控陣雷達(Phased Array
Antenna)的概念。而在光頻段，同樣可以利用光學天線陣列實現光波的濾波，偏振選擇，以及相位操控。例如，最新一期的science封面文章，就是利用基于光學天線陣列(Nanoantenna
array)的光學超表面(Metasurface)，對平面圓偏振光各點的相位進行調控，從而實現可見光波段的超薄平面式成像透鏡。可見，經過巧妙設計的光學天線及其陣列，有望將傳統光學元件(濾光片，偏振片，成像透鏡等等)的諸多功能壓縮至光學薄膜的厚度上加以實現，也即平面光學元件(FlatOptics)。
目前光學天線是科研界的一個研究熱點，研究角度與應用場合也較為廣泛，各種基于光學天線的新研究領域層出不窮。
展開 除此之外，負折射聚焦形成的焦斑尺寸突破了傳統光學的瑞利衍射極限，為自然光波長的1/60，形成了極強的光場壓縮，與此同時，焦點處能量實現了10倍以上的聚焦增強。
圖2：（A，C）實驗(A)和模擬(C)的近場圖像說明了α-MoO?到石墨烯/α-MoO?異質結構的負折射現象，天線現在放置在α-MoO?側。（B，D）從石墨烯/α-MoO?異質結構到α-MoO?的可逆負折射，天線現在放置在石墨烯/α-MoO?側
正-負折射轉變的動態調控
當界面兩側極化激元處于同一光學拓撲態時，極化激元體系整體是光學平庸的，此時極化激元在邊界的折射屬于正常折射。當界面兩側光學拓撲態不同時，便會發生奇異的負折射效應。
通過靜電柵壓改變石墨烯費米能，研究團隊可以實現界面正-負折射的主動調控和動態切換。
戴慶課題組通過構造涂覆Si背柵的SiO?介電層向
石墨烯施加垂直電場（圖3A），成功調控了石墨烯的費米能。這種柵極可調諧器件提供了在原位主動控制極化激元波前，并在納米尺度上改變聚焦位置和相應光場的能力。在實驗（圖3B）和仿真（圖3C）中，隨著柵極電壓從+150逐漸變為?150 V，可以清
晰得看到石墨烯/α-MoO?
一側的波前逐漸變小，渠化，最后發生負折射，形成納米尺度的聚焦。
圖3：（A） 柵極可調諧器件的設計示意圖。（B） 實驗測量的從正折射到負折射轉變的近場圖像，柵極電壓從+150 V到-150 V變化。垂直黑色虛線表示石墨烯邊緣定義的界面。
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光場聚焦的最新內容
256
7.1.1 設計一個折射光束整形器以生成一個圓形高帽光 256
7.2 衍射光學 266
7.2.1 規則分束器設計、結構生成及結構導出 266
7.2.2 將高斯光束整形成Donut模式 283
7.3 擴散器 294
7.3.1 設計一個擴散器以生成一個INFOTEK標志 295
7.3.2 設計一個線性擴散器以生成線性聚焦光場
場追跡結果-electromagnetic field detector
VirtualLab Fusion的優勢在于，它并非只給出單一結果，而是能夠圍繞光場傳播、聚焦和成像過程建立完整分析鏈路。仿真的重點通常放在焦區三維電場分布分析。通過VirtualLab Fusion，可以觀察焦點附近橫向與縱向的光強變化，并提取焦斑半高全寬、軸向延伸長度和能量集中度等指標。
紫外光刻鏡頭的作用是將投射光源產生的光場聚焦到光刻膠層上，并保持所需的分辨率和圖形質量。這些鏡頭通常使用紫外光源（波長通常在250至450納米之間），因為紫外光的短波長使得能夠獲得更高的分辨率。
紫外光刻鏡頭的主要特點包括：
1.高分辨率：紫外光的短波長使得光刻圖案可以獲得更高的分辨率，從而實現更小尺寸的芯片結構。
光束整形 256
7.1 折射光學 256
7.1.1 設計一個折射光束整形器以生成一個圓形高帽光 256
7.2 衍射光學 266
7.2.1 規則分束器設計、結構生成及結構導出 266
7.2.2 將高斯光束整形成Donut模式 283
7.3 擴散器 294
7.3.1 設計一個擴散器以生成一個INFOTEK標志 295
7.3.2 設計一個線性擴散器以生成線性聚焦光場
在之前第15篇推送中，介紹了徑向偏振光和角向偏振光經過透鏡聚焦后的光場，當時是正好有文獻推導公式，
但是倘若沒有現成的文獻推導呢？那就得自己慢慢在草稿紙上推導。實驗中最常用的光源是線偏振高斯光，所以后來我慢慢推導了線偏振高斯光經過透鏡聚焦后的光場，并用comsol仿真出來。這個聚焦光場的仿真其實難度還挺大的，并不easy。
這種柵極可調諧器件提供了在原位主動控制極化激元波前，并在納米尺度上改變聚焦位置和相應光場的能力。在實驗（圖3B）和仿真（圖3C）中，隨著柵極電壓從+150逐漸變為?150 V，可以清
晰得看到石墨烯/α-MoO?
一側的波前逐漸變小，渠化，最后發生負折射，形成納米尺度的聚焦。
圖3：（A） 柵極可調諧器件的設計示意圖。
技術突破
非聚焦掃描光場顯微系統往往含有幾十個甚至上百個子孔徑分量(圖1a)。在理想系統中，不同子孔徑分量對應的高分辨率軸向范圍完全相互重疊，因此存在大量的數據冗余。
4 結語
本文根據矢量衍射理論推導矢量偏振光束的聚焦光場積分表示，并采用MATLAB模擬仿真實現了聚焦光場分布的直觀顯示。基于矢量光束經透鏡聚焦的光場分布分析，在高數值孔徑系統中，矢量衍射光束聚焦場具有以下特征：
（1） 聚焦光場具有顯著的偏振特性，要用矢量衍射理論進行分析計算；
（2） 聚焦光場各偏振分量與入射光場偏振態相關，并且出現軸向偏振分量。
亞波長尺度的光場聚焦：與射頻波段的偶極子天線相類比，光學天線可以將自由空間中的光頻電磁波匯聚于天線表面亞波長尺度的空間內，極大提高了光子的態密度，因此被廣泛應用于突破衍射極限，并增強光與物質的相互作用(light-matterinteraction)。
2.
光吸收與光熱轉換：制備光學天線的材料與制備微波波段電磁天線的材料一樣，可以是金，銀，鋁，銅等常見金屬。
