紧聚焦光诱导磁化空间结构和方向的调控

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:QIAOKAIIORI
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光与磁光材料的相互作用一直以来吸引了广泛的研究兴趣,特别是在紧聚焦微小尺度范围内更加诱人。从科学角度来说,研究其中的物理机理,可以更好地理解之间的内在联系。从应用的方面来说,研究光磁相互作用对于超高密度磁存储、超高分辨率的共焦与磁共振显微镜以及原子与磁性粒子的捕获具有重要的应用价值。因此,研究光磁在远场小尺寸空间的相互作用具有重要的理论和实际意义。本论文基于矢量衍射理论和磁光材料中的逆法拉第效应,在紧聚焦条件下,通过调制入射光的振幅、相位和偏振等方式,系统地研究磁化空间结构和方向特性,理论上获得超长磁针、磁链、横向磁化阵列以及任意极化方向的磁化光斑。本论文的主要研究内容如下:研究紧聚焦振幅和相位调制的角向偏振光产生的磁化场空间结构。首先,选取合适的多高斯光束(multi-Gaussian beam)环形分布的参数和涡旋相位的拓扑荷数,在单个透镜下获得单/双通道的亚波长超长磁针,在4π系统下实现单/双通道的三维超分辨超长磁链。更进一步地,在4π聚焦条件下,探讨磁链的轴向移动与两臂之间相位差的关系。其次,为了延长磁针的长度和改善磁针的轴向均匀性,采用优化的多区域相位板(multi-zone plate)来调制角向偏振光束。阐明主要是利用多区域相位板内环的相邻子环之间相位差为π导致的聚焦光束在焦点处干涉相消和外环中的三个错位涡旋相位的调制产生的轴向方向上干涉相干,从而在焦点附近获得了横向超分辨(0.37λ)的超长(107λ)轴向均匀磁针。采用高斯环形角向偏振涡旋光束作为入射光,研究在单个透镜和4π系统两种紧聚焦条件下光诱导磁化场分布。当入射光的角向宽度远远小于其环形中心角时,推导出磁针和磁链分布的解析表达式。利用这些表达式,分析磁针和磁链的各种特性。因此,提出的方法对于磁化场空间结构性质的探究简单明了,并且为获得这些磁化分布提供了一定的理论指导。同时,通过与数值积分式得到的结果相比,阐明解析表达式的合理性。提出一种几何射线方法来产生超分辨的光诱导横向磁化阵列,此阵列中每一个磁化光斑的极化方向可以在面内任意取向。为了达到这个目的,设计由径向偏振光和π相位板(π-phase-step filter)调制的径向偏振光叠加组成的入射光束,指出该入射光束可以通过径向偏振光调制相位来产生。在4π系统下紧聚焦两束反向传输的入射光,在焦点处产生相位差为π/2的偏振相互正交的聚焦场,从而在磁光薄膜上诱导产生三维超分辨横向极化的磁化光斑。在入射光束相位调制的基础上,采用多区域相位板的细分区域编码相位方式,在焦点区域实现了横向磁化阵列。提出获得多个存储状态值,实现三维超分辨可调极化方向的磁化光斑。采用几何射线方法,构造由径向偏振光、x方向π相位板调制的角向偏振光和y方向π相位板调制的角向偏振光合成的入射光束。在4π系统下,紧聚焦反向传播的入射光,在焦点附近产生三个偏振相互正交的超分辨光场分布,从而诱导产生具有空间极化方向的三维超分辨磁化光斑。进一步探讨入射光束的三个组成光束之间的振幅比例对磁化光斑的极化方向在三维空间取向的关系。其次,为了扩展在共焦与磁共振显微镜方面的应用,提出采用旋转出射面入射光,实现带有任意极化方向和超分辨的旁瓣值很小的球形磁化光斑。在理想的4π紧聚焦系统中,探究入射光束的放缩参数(scaling parameter)对球形尺寸的影响,阐明旋转角度与磁化光斑任意极化方向的关系。
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