飞秒矢量光束与物质相互作用的超快过程研究

Vector beams with inhomogeneous polarization distributions have unique focusing properties，which has potential applications in many areas such as particle manipulation, surface Plasmon excitation, and superresolution imaging. The ultrafast process of femtosecond laser pulse interaction with matter not only relates to the intensity of the laser but also the polarization properties. Based on pump-probe technique with ultrafast time resolution, this project comprehensively utilizes time-resolved shadowgraphy, digital holography, ultrafast time resolved spectroscopy, and light scattering technique to detect the dynamic process of femtosecond laser interaction with matter with high time and spatial resolution. Experiment data should contain ultrafast characteristic parameters such as intensity, phase, spectrum and scattering, which can characterize ejection of material, material transition, transfer of heat region, time-space evolution progress of the microstructure and shock wave. How the different polarizations affect the ultrafast process is also studied in this project. The physical model which combines the molecular dynamics with full vector Maxwell's equations will be established based on the experiments to reveal the essence of vector beam interaction with matters.

任意偏振分布的矢量光束具有独特的焦场特性，在微粒操控、激发表面等离子体和超分辨率成像等领域显示出了广泛的应用前景。飞秒激光与物质相互作用的过程除了与激光脉冲强度有关还依赖于激光脉冲的偏振特性。本项目基于超快时间分辨的泵浦探测技术，综合运用阴影成像、数字全息术、光谱分辨探测、光散射测量等实验手段，对飞秒矢量光束与物质相互作用的超快动力学过程进行具有高时间、空间分辨的实验研究，获得飞秒矢量光束与材料相互作用过程中的有关物质喷射特性、物质转化、热区域转移、微结构形貌时空演化、冲击波特性等不同研究对象所包括的强度、位相、光谱、散射等超快特征参量在内的实验数据；研究飞秒矢量光束的不同偏振特性对于超快过程的不同影响。并在实验研究的基础上，结合分子动力学和全矢量麦克斯韦方程建立飞秒矢量光束与物质相互作用的物理模型，揭示矢量光束与物质相互作用的物理实质。

多维调控的矢量光束具有独特的焦场特性，在微粒操控、激发表面等离子体和超分辨率成像等领域显示出了广泛的应用前景。因此掌握光波场包括振幅、相位、偏振等参量的多维调控技术，可更为有效地掌控激光的聚焦和传输。而飞秒激光与材料相互作用的过程除了与激光脉冲参数有关还依赖于光束的波前特性，因此研究多维调控的光束与材料的相互作用，可掌握激光参数在能量转移、热传导、电子扩散中所起的作用机理。项目的主要研究工作包括：1研究了光束的多维调控理论和实现方法，包括加载涡旋的光束、柱矢量光束、径向矢量光束和角向矢量光束以及高阶矢量光束等。研究了采用综合调控的技术实现对焦场的整形，实现了对焦场的有效调控。2研究了多维调控的飞秒光束的生成理论和实现方法。研究飞秒激光的波前调控前后对于飞秒脉冲激光传输和聚焦的差别，研究了飞秒矢量光束的聚焦场的分布特性。搭建了实现飞秒激光调控的实验系统。重点研究了利用空间光调制器来实现具有任意偏振结构的矢量光束的理论和方法，以及飞秒矢量光束在高数值孔径透镜聚焦下的横向电场与纵向电场的焦场分布特性。3研究了多维调控的飞秒矢量光束与材料的相互作用的动力学过程。其中多维调控包括激光的波前相位、偏振、波长等物理参量，研究了这些物理参量对于相互作用过程中动态和终态过程的影响，掌握相关的实验规律。经过项目组成员四年的能力，项目取得了一定的成果，在光束的多维调控、焦场整形、飞秒矢量光束调控、多维调控的飞秒光束与物质相互作用等方面取得具有创新性的研究成果。这些结果对于有效地控制激光的聚焦与传输、光束与材料的作用机理等方面具有重要的理论意义和应用价值。