部分相干矢量涡旋光束的紧聚焦和传输

Polarization, phase, degree of coherence and amplitude are parameters characterizing attribute of laser beam. Vector polarized beams, especially, the radially polarized beams and the azimuthally polarized beams, have been confirmed to plays a key role in optical imaging, optical data storage, particle trap, and Raman spectroscopy in recent researches. The tight focusing and propagation of vector beams are attracting much interest due to their potential unique features and novel applications. This project will make approach to property of partially coherent and vector vortex beam with multiple parameters such as phase, degree of coherence and amplitude and explore the novel physical phenomena arising from partially coherent vector vortex beam under the tight focusing and propagation as well as their application in optical trap and tweezers. The study focuses on the following issues: obtaining focal field with specific polarization and intensity distribution through modulation of multiple parameters including phase, degree of coherence, amplitude and numerical aperture of the lens; analyzing the intensity, degree of the coherence, and polarization property in the focal region; investigating the optical trap of focal field associated with controllable parameters, making efforts on analyzing the spatial-temporal evolution and electromagnetic field characteristic of the paraxial and nonparaxial propagation of partially coherent vector vortex beams.

偏振、相位、相干度和振幅是反映光束属性的基本参数。其中矢量光束，特别是径向偏振光和角向偏振光，在光学成像、光数据存储、粒子捕捉以及拉曼光谱等领域的关键作用已被近年来的研究表明所证实。矢量光束的紧聚焦以及在传输中所蕴含的丰富物理性质和新颖效应日益受到人们的关注。本项目探讨相位、相干度、振幅等多参量调制的部分相干矢量涡旋光场的紧聚焦特性和传输特性。研究部分相干矢量涡旋光场的紧聚焦场的光场特征，旁轴和非傍轴传播特性以及在光学捕捉和光镊中的应用。研究内容包括：研究通过对相位、振幅以及透镜的数值孔径的调控以获取特定形态的聚焦场，分析聚焦场的强度、相干度和偏振特性；研究紧聚焦的部分相干矢量涡旋光束的粒子捕捉特性；研究部分相干矢量涡旋光束的傍轴和非傍轴传输的时空演化和电磁场分布特点。

近年来，部分相干矢量涡旋光束引起了人们的极大兴趣，它同时具有空间非均匀偏振态，涡旋相位以及有限的空间相干性，使得部分相干矢量涡旋光束表现出许多不用于高斯谢尔模光束和完全相干矢量涡旋光束的特性，导致其在时空演化及与介质相互作用方面表现出新的效应。在本项目中，我们主要开展了以下几方面的工作：1. 部分相干矢量涡旋光束的实验产生和聚焦特性。在这个工作中，我们首次在实验上产生了部分相干径向偏振涡旋光束，并对部分相干径向偏振涡旋光束经过薄透镜的光强和偏振特性进行了理论和实验研究，研究表明通过控制光束的拓扑相位能有效地控制光束在焦面上的光强分布，而且可以抑制在传输过程中的退光强和退偏振效应，这些研究结果在自由空间光通信，光束整形，粒子捕获及旋转等领域有重要的应用价值。2.特殊的空间关联结构对部分相干光束的传输特性的影响。我们主要研究了特殊关联结构诱导的部分相干光束的傍轴度和焦开关的新特性，非傍轴传输的光强分布和相干性特性，以及远场光强和发散角特性。结果表明通过调控部分相干光束的空间关联结构可以为非傍轴部分相干光束的传输特性调控提供一种新途径。3.研究了双环径向偏振涡旋光束经高数值孔径透镜的紧聚焦和粒子捕获特性。结果表明通过调控光束的截断系数，可以在焦点附近产生较小焦点和三维暗斑，可以用来稳定地捕捉金属粒子和空气泡粒子。此外，我们还研究了部分相干矢量光束在海洋湍流和单轴晶体等介质中的传输特性，结果表明海洋湍流和单轴晶体等媒介也对部分相干矢量光束的光强和偏振性产生重要影响。在这一系列的研究工作中，我们一共发表了16篇论文，其中，SCI论文13篇，EI论文1篇，截止目前，论文被引用64篇次。此外，参加了国际学术会议1次，国内学术会议1次。