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矢量光束聚焦的案例

基于MATLAB的矢量光束聚焦光場仿真
光學的發展促進了新型偏振光的提出，比如矢量光束。矢量光束由于其在垂直于光傳播方向的橫截面具有非均一性的偏振分布，在量子存儲、粒子操控、超分辨成像、納米光刻和激光加工等領域具有重要的潛在發展前景。因此，有必要引入光學發展前沿，鼓勵學生探索光學新發展，培養創新思維，從而激發他們的學習興趣，促進教研融合。同時，考慮到知識的難度，我們需要結合虛擬仿真實驗對光學理論和模型進行精確仿真和可視化，從而直觀呈現抽象的物理過程，提高教學效果和學習效率[2]。 本文以矢量偏振光束通過高數值孔徑物鏡的衍射為例，基于MATLAB模擬仿真展示偏振態對光場傳播過程和聚焦光場的影響。對于低數值孔徑透鏡，只需使用傍軸近似或夫瑯禾費近似的標量衍射理論。但是，對于高數值孔徑透鏡，聚焦光場與偏振狀態密切相關，特別是對于矢量光束，聚焦光場將呈現顯著的偏振特性[3], 此時就需要使用由RICHARDS B和WOLF E在德拜標量衍射積分的基礎上建立的矢量衍射理論[4,5]。借助矢量衍射理論，可以精確描述矢量光束的衍射光場分布，包括振幅、相位和偏振態等。首先，根據矢量衍射理論推導了聚焦場分布積分表示；進一步借助MATLAB仿真給出了矢量偏振光束入射情況下的聚焦光場分布，為學生提供直觀的可視化結果。最后，通過與常見的線偏振光和圓偏振光對比，對矢量偏振光束聚焦場分布進行了分析和總結，有助于學生對偏振影響的整體理解和掌握。 1 矢量偏振光束 偏振光束根據空間分布可分為均勻偏振光和非均勻偏振光[6,7]，線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光都是常見的均勻偏振光。非均勻偏振光在不同空間位置的偏振態不同，矢量光束屬于非均勻偏振光。振幅和偏振態在光束橫截面上以光軸為對稱軸，分布沿徑向方向有一定夾角φ0的矢量光束，稱為軸對稱矢量光束,如圖1(a)所示。
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使用干涉儀裝置生成任意矢量光束
目前研究已經證明了圓柱形矢量光束在各種應用中都很有幫助。我們遵循X.-L. Wang等人的研究，建立了一個用于產生矢量光束的干涉儀裝置。 該裝置包括各種類型的光學組件，包括SLM，光柵，孔徑，波片和透鏡。 通過可編程功能，可以任意定義和更改SLM傳輸函數，如下例所示。 我們演示了VirtualLab Fusion中矢量光束的生成過程，并將結果與文獻中的結果進行了比較。 使用SLM和共光路干涉儀生成矢量光束 在4f鏡頭系統中，干涉儀裝置由SLM，光圈，四分之一波片和光柵構成。 使用此裝置，我們演示了圓柱矢量光束的生成過程。 如何使用可編程功能及示例（圓柱透鏡） 在本文檔中，我們以圓柱透鏡為例說明了如何使用可編程功能。 詳詢更多信息請發送郵件至: support@infotek.com.cn / support@infocrops.com網址: http://www.infotek.com.cn / http://www.honglun-seminary.com
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[NEWSLETTER] 使用干涉儀裝置生成任意矢量光束
目前研究已經證明了圓柱形矢量光束在各種應用中都很有幫助。我們遵循X.-L. Wang等人的研究，建立了一個用于產生矢量光束的干涉儀裝置。 該裝置包括各種類型的光學組件，包括SLM，光柵，孔徑，波片和透鏡。 通過可編程功能，可以任意定義和更改SLM傳輸函數，如下例所示。 我們演示了VirtualLab Fusion中矢量光束的生成過程，并將結果與文獻中的結果進行了比較。 使用SLM和共光路干涉儀生成矢量光束 在4f鏡頭系統中，干涉儀裝置由SLM，光圈，四分之一波片和光柵構成。 使用此裝置，我們演示了圓柱矢量光束的生成過程。 如何使用可編程功能及示例（圓柱透鏡） 在本文檔中，我們以圓柱透鏡為例說明了如何使用可編程功能。 詳詢更多信息請發送郵件至: support@infotek.com.cn / support@infocrops.com
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基于Lumerical FDTD和MATLAB的矢量圓艾里光束設計
關鍵詞：MATLAB，FDTD，圓艾里光束，光束設計，光學力 圓艾里光束是一種具有獨特物理特性的矢量光束，具備非衍射、自加速及相位自愈等顯著優勢，在微納顆粒操控、生物醫學檢測、光鑷技術及微納器件制備領域應用潛力突出。本設計運用 MATLAB對光場設計，FDTD光場建模獲得光場平面，并添加微納顆粒，在不同傳播平面測量顆粒光學力分布以及光勢阱。此項設計通過MATLAB算法與FDTD 電磁仿真結合，形成從光束設計到光學力特性分析的完整技術鏈，在光與物質相互作用的基礎研究及工程應用具有中應用潛力。 一、MATLAB光東設計 首先對光束進行光學設計，形成橢圓型艾里光相位，并將數據存儲，用于后續fdtd軟件調用。 二、FDTD建模 1.形成合適的圓艾里光束后，運行腳本“1 圓艾里光場參數設計”，進行光場參數的后續設計，如偏振態、顆粒尺寸等。 2.接著運行腳本“2 圓艾里光場”，以建立仿真環境。會隨第一步的參數進行深入設置。運行后會直接開始仿真。 3.形成的結構會記錄三維光場信息，便于后續光學力仿真。 4.接著運行“3 顆粒光學力仿真”，這會在第一步設置好的參數基礎上，在特定高度，特定范圍放置顆粒，并利用獨特優化過的腳本處理方式，進行快速光學力計算。 5.運行“4 光學力處理與繪圖”，計算特定平面的場強、相位以及光學力、勢阱分布 6.最后，計算添加顆粒后的場強分布，運行腳本“5 添加顆粒后場強分布” 三、總結 本設計基于MATLAB、FDTD腳本完成了對矢量圓艾里光束設計、仿真、光學力計算的全流程編碼、建模，得到的光場雨預期符合，光學力分析與光場情況抑制，實現了較為完善的模擬研究。
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矢量光束聚焦圖1
[VirtualLab] 用SLM和共光路干涉儀產生矢量光束
摘要 圓柱矢量光束在不同的應用中都十分有用。在此示例中，根據X.-L Wang等人在Opt. Lett. 32,3549 -3551(2007) 的工作，我們建立了共光路干涉儀光路。它由SLM、光闌、四分之一波片、光柵組合器和4f鏡頭組成。利用此光路，我們模擬了圓柱矢量光束的產生。通過改變SLM上加載的振幅透射的選定參數，我們還比較了結果的差異。 建模任務 建模任務 空間光調制器的功能 ±1級衍射的單獨建模 生成的矢量光束(φ0 = 0°) 生成的矢量光束(φ0 = 45°) 生成的矢量光束(φ0 = 90°) 生成的矢量光束(φ0 = 135°) 生成的矢量光束及對比 走進VirtualLab Fusion VirtualLab Fusion的工作流程 ? 指定或自定義透射函數 - 如何使用可編程功能以及示例(柱透鏡) [用例] ? 正確地設置傅里葉變換 - 傅里葉變換設置 – 實例討論 [用例] ? 在建模中使用理想化的光柵函數 - VirtualLab Fusion技術 – 理想光柵函數 [技術白皮書] VirtualLab Fusion技術 文件信息 延伸閱讀 - 與偏振光干涉產生空間變化的偏振
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用SLM和共光路干涉儀產生矢量光束
摘要 圓柱矢量光束在不同的應用中都十分有用。在此示例中，根據X.-L Wang等人在Opt. Lett. 32,3549 -3551(2007) 的工作，我們建立了共光路干涉儀光路。它由SLM、光闌、四分之一波片、光柵組合器和4f鏡頭組成。利用此光路，我們模擬了圓柱矢量光束的產生。通過改變SLM上加載的振幅透射的選定參數，我們還比較了結果的差異。 建模任務 建模任務 空間光調制器的功能 ±1級衍射的單獨建模 生成的矢量光束(φ0 = 0°) 生成的矢量光束(φ0 = 45°) 生成的矢量光束(φ0 = 90°) 生成的矢量光束(φ0 = 135°) 生成的矢量光束及對比 走進VirtualLab Fusion VirtualLab Fusion的工作流程? 指定或自定義透射函數- 如何使用可編程功能以及示例(柱透鏡) [用例] ? 正確地設置傅里葉變換- 傅里葉變換設置 – 實例討論 [用例] ? 在建模中使用理想化的光柵函數- VirtualLab Fusion技術 – 理想光柵函數 [技術白皮書] VirtualLab Fusion技術 文件信息 延伸閱讀 - 與偏振光干涉產生空間變化的偏振
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通過熱透鏡聚焦的高斯光束
對于具有特定參數的高斯光束，折射率在數學上表現為溫度和輸入功率的函數。[W. Koechner, Appl. Opt. 9,2548–2553(1970)]。這個使用案例顯示了熱透鏡焦距的變化，以及當輸入功率改變時聚焦光束直徑的變化。這個使用案例發表在[H. Zhong, J. Opt. Soc. Am. A35]。 建立任務 結果
應用一個熱透鏡對高斯光束聚焦
對于具有特定參數的高斯光束，折射率在數學上表示為溫度和輸入功率的函數[W. Koechener, Appl. Opt. 9, 2548-2553 (1970)]。這個案例展示了當輸入功率變化時，熱透鏡焦距以及聚焦光束直徑的變化。這個例子發表在[H. Zhong, J. Opt. Soc. Am. A 35]。 建模任務 結果
應用一個熱透鏡對高斯光束聚焦
對于具有特定參數的高斯光束，折射率在數學上表示為溫度和輸入功率的函數[W. Koechener, Appl. Opt. 9, 2548-2553 (1970)]。這個案例展示了當輸入功率變化時，熱透鏡焦距以及聚焦光束直徑的變化。這個例子發表在[H. Zhong, J. Opt. Soc. Am. A 35]。 建模任務 結果
GLAD：高斯光束的吸收和自聚焦效應
當入射光束的光強呈現空間上的非均勻分布時，由此引入的非線性折射率也是非均勻的，這將使不同空間位置的光所經歷的光程長度不同，即介質對入射光束的作用等價于光學透鏡，從而導致光束的自行聚焦效果。 特別地，當入射光束強度沿垂直光軸的界面內呈高斯形時，且強度足夠產生非線性效應的情況下，此時介質折射率的橫向分布也是鐘形的，從而對入射光束產生會聚作用，這就是高斯光束的自聚焦效應。 系統描述 本例重點展示了beer以及sfocus兩個命令的使用，給出了經過吸收之后高斯光束的強度分布輪廓圖，光束的吸收遵循比爾定律并且可能會出現自聚焦現象。研究發現，自聚焦效應會導致穿透剖面變窄，本例對比了以下四種情況： （1）理想的高斯光束聚焦 （2）經過吸收之后的理想高斯光束聚焦 （3）經過吸收和自聚焦效應之后的理想高斯光束聚焦 （4）經過吸收和自聚焦效應之后的帶有像差的高斯光束聚焦 圖1 模擬示意圖 模擬結果 圖2 初始理想高斯光束光強分布 圖3 理想高斯光束的成像切片 圖4 介質中存在吸收時理想高斯光束的成像切片 圖5 介質中存在吸收同時考慮自聚焦效應時理想高斯光束的成像切片 圖6 介質中存在吸收同時考慮自聚焦效應時帶像差高斯光束的成像切片
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STED顯微鏡中Gaussian-Laguerre光束的聚焦
摘要 受激發射損耗（STED）顯微鏡利用在聚焦平面上一個極小的聚焦光斑產生超分辨率。這需要兩個聚焦光束。一個激發光束。另一個是損耗光束，能夠抵消出射的激發光束。在[P. T?r?k和P.R.T Monro，（2004年）]中，作者研究了通過聚焦高階Gaussian-Laguerre光束產生環形的PSF。 在VirtualLab Fusion中，這種高階Gaussian-Laguerre光束的聚焦可以直接建模和分析。 2. 方案 ? VirtualLab Fusion 構建系統 1. 系統構建模塊 2. 組件連接器 ? 幾何光學仿真 以光線追跡 1. 結果：光線追跡 ? 快速物理光學仿真 以場追跡 1.
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矢量光束聚焦圖2
[VirtualLab] 利用Debye-Wolf積分對理想矢量聚焦情況的研究
摘要 了解高NA物鏡焦距附近的矢量電場分布對如顯微、光鑷、激光加工等應用具有重要意義。 Debye-Wolf積分提供了焦平面附近矢量場的半解析解，并得到了廣泛的應用。我們演示了如何在VirtualLab Fusion中使用Debye-Wolf積分計算器來研究不同參數下的聚焦場特性。 2. 建模任務 3. 波長的影響 4. 物鏡NA的影響 5. 偏振的影響 6. 離焦的影響 7. 走進VirtualLab Fusion 8. VirtualLab Fusion 技術 9. 文件信息 了解更多信息 - Debye-Wolf Integral Calculator - Analyzing High-NA Objective Lens Focusing
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GLAD：高斯光束的吸收和自聚焦效應
當入射光束的光強呈現空間上的非均勻分布時，由此引入的非線性折射率也是非均勻的，這將使不同空間位置的光所經歷的光程長度不同，即介質對入射光束的作用等價于光學透鏡，從而導致光束的自行聚焦效果。 特別地，當入射光束強度沿垂直光軸的界面內呈高斯形時，且強度足夠產生非線性效應的情況下，此時介質折射率的橫向分布也是鐘形的，從而對入射光束產生會聚作用，這就是高斯光束的自聚焦效應。 系統描述 本例重點展示了beer以及sfocus兩個命令的使用，給出了經過吸收之后高斯光束的強度分布輪廓圖，光束的吸收遵循比爾定律并且可能會出現自聚焦現象。研究發現，自聚焦效應會導致穿透剖面變窄，本例對比了以下四種情況： （1）理想的高斯光束聚焦 （2）經過吸收之后的理想高斯光束聚焦 （3）經過吸收和自聚焦效應之后的理想高斯光束聚焦 （4）經過吸收和自聚焦效應之后的帶有像差的高斯光束聚焦 圖1.模擬示意圖 模擬結果 圖2.初始理想高斯光束光強分布 圖3.理想高斯光束的成像切片 圖4 介質中存在吸收時理想高斯光束的成像切片 圖5.介質中存在吸收同時考慮自聚焦效應時理想高斯光束的成像切片 圖6.介質中存在吸收同時考慮自聚焦效應時帶像差高斯光束的成像切片
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STED顯微鏡中Gaussian-Laguerre光束的聚焦
1.摘要 受激發射損耗（STED）顯微鏡利用在聚焦平面上一個極小的聚焦光斑產生超分辨率。這需要兩個聚焦光束。一個激發光束。另一個是損耗光束，能夠抵消出射的激發光束。在[P. T?r?k和P.R.T Monro，（2004年）]中，作者研究了通過聚焦高階Gaussian-Laguerre光束產生環形的PSF。 在VirtualLab Fusion中，這種高階Gaussian-Laguerre光束的聚焦可以直接建模和分析。 2.方案 VirtualLab Fusion 構建系統 1. 系統構建模塊 2. 組件連接器 幾何光學仿真 以光線追跡 1. 結果：光線追跡 快速物理光學仿真 以場追跡 1. Focusing of Gaussian-Laguerre 光束 文件信息
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GLAD應用：高斯光束的吸收和自聚焦效應
當入射光束的光強呈現空間上的非均勻分布時，由此引入的非線性折射率也是非均勻的，這將使不同空間位置的光所經歷的光程長度不同，即介質對入射光束的作用等價于光學透鏡，從而導致光束的自行聚焦效果。 特別地，當入射光束強度沿垂直光軸的界面內呈高斯形時，且強度足夠產生非線性效應的情況下，此時介質折射率的橫向分布也是鐘形的，從而對入射光束產生會聚作用，這就是高斯光束的自聚焦效應。 系統描述 本例重點展示了beer以及sfocus兩個命令的使用，給出了經過吸收之后高斯光束的強度分布輪廓圖，光束的吸收遵循比爾定律并且可能會出現自聚焦現象。研究發現，自聚焦效應會導致穿透剖面變窄，本例對比了以下四種情況： （1）理想的高斯光束聚焦 （2）經過吸收之后的理想高斯光束聚焦 （3）經過吸收和自聚焦效應之后的理想高斯光束聚焦 （4）經過吸收和自聚焦效應之后的帶有像差的高斯光束聚焦 圖1.模擬示意圖 圖2. 初始理想高斯光束光強分布 圖3. 理想高斯光束的成像切片 圖4. 介質中存在吸收時理想高斯光束的成像切片 圖5. 介質中存在吸收同時考慮自聚焦效應時理想高斯光束的成像切片 圖6. 介質中存在吸收同時考慮自聚焦效應時帶像差高斯光束的成像切片
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