周期性调制空间拓扑结构光场的传输与焦场特性

Spatially topological light fields exhibit many peculiar behaviors during propagation, which are highly expected to be applied to super-resolution imaging, super-fine processing, optical micro-manipulation, etc. With the request of scientific research and engineering application, the propagations of these special light fields become an inevitable pathway of the development of the basic theory and applied research. At present, although many related research works have been reported, there still are some scientific problems, espetially the propagation and manipulation of the topologically polarized beams modulated periodically, need to be futher studied. In this project, by theoretically and experimentally analyzing the transmission characteristics of the periodically modulated topological light fields, a set of original theory achievement in light manipulation will be obtained to providing the guidances on the corresponding applied researches. The main contents are as follows: ① By esteblishing the propagation model of the periodically modulated topological light field, the manipulating of the light field with periodic structures is discussed;② The propagating properties of the spatially topological fields in periodical microstructures is studied, and the alternatives of contolling the polarization states, transmission modes, angular momenta and topological structures of the light fields;③ We analyze the propagating and focusing properties of periodical multi-singularity fields, and propose the controlling methods of its focal field by changing the structure parameters for the purpose of multi-paritcal manipulation.

空间拓扑结构光场会表现出奇异的传输特性，在超分辨成像、超精细加工、光学微操控等领域具有巨大的应用价值。深入研究其传输行为及调制规律对于完善和丰富光学理论、拓展其应用研究均具有重要的科学意义。目前，国际上虽然相关的研究工作已有大量报导，然而仍然有许多科学问题尚未解决，特别是以周期结构调制偏振拓扑结构光场的传输及其调控手段，均鲜有报导。本项目通过对周期性调制空间拓扑结构光场的传输规律的理论分析和实验研究，在光场调控的理论和方法研究上取得系列原创性成果，为相关应用研究提供理论和实验支持。具体包括：①建立周期性调制空间拓扑结构光场传输的理论模型，探讨周期性对其调制的规律；②研究光学周期微结构中空间拓扑结构光场的传输特性，提出对光场偏振态、传输模式、角动量及拓扑结构的调控方案；③分析周期性多奇点光场的传输规律和聚焦特性，提出通过改变光场的结构参数控制其焦场的方法，以实现多粒子操控。

空间拓扑结构光场作为一种新型激光模式，表现出优异的传输特性。深入研究这些传输行为，特别是通过特殊光学元件调制后的演化规律，对于进一步揭示光的电磁和量子本质、丰富完善现代光学理论，拓展相关的应用，具有重要的科学意义。本项目针对空间拓扑结构光场的周期性调制展开研究，主要研究进展如下：.1. 空间拓扑结构光场传输的理论描述与数学模型的建立：基于矢量衍射理论和非傍轴近似的亥姆霍兹方程，构建了光场的聚焦和传输模型，提出并验证了光场聚焦算法、非傍轴的束传播法和矢量角谱衍射积分算法，可方便地计算各种复杂空间拓扑结构光场的紧聚焦特性、傍轴和非傍轴传输特性。.2. 任意空间拓扑结构光场的产生与调控：(1)提出了一种利用梯形塞纳克干涉仪获得矢量光场的新方法；该方法不仅改善光束的稳定性，也方便地产生和调节具有任意偏振态和相位分布的矢量光场。(2)提出幂次相位涡旋的概念，研究了其与自聚焦光束相互作用时的螺旋状聚焦特性；利用这种涡旋，可以控制角向调制下焦场的横向角动量；(3)分析了涡旋相位对矢量自动聚焦光束的控制规律，实现了光束偏振态及轨道角动量的自动突变；(4)对线偏振高斯光束进行非均匀偏振调制，实现了与自旋相关的光束发散和会聚，并由此观察了光束纵向的类自旋霍尔效应；通过将纵向和横向自旋分离结合，实现了自旋态在三维空间的可控分离。相关的研究结果，不仅为角动量的产生及控制研究提供了新的思路，也为微小粒子的光学操控提供了新的手段。.3. 周期微结构对空间拓扑结构光场的调控：(1) 通过光学涡旋孤子与离散孤子的非线性相互作用实现了对其传输模式、出射位置、拓扑荷的控制；(2)通过设计平板光子晶体微腔，提出产生具有高Q值矢量光场的新方法；(3)理论研究并实验观察了蜂巢光子晶格中可控的赝自旋调解的拓扑结构光场模式。相关研究结果为周期微结构对光束的微操纵、光与物质相互作用的增强等方面具有潜在的应用。.4. 角向挡板调制空间拓扑结构光场的新手段和新效应：(1)提出了一个基于角向谱展开理论描述矢量光场在角向调制下聚焦的半定量的理论模型，并进行了实验验证；(2)研究了角向挡板对矢量光场的焦场偏振态和偏振奇点的调控；(3)通过角向挡板实现了矢量光场的可控性自旋分离。相关结论不仅能解释任意矢量光场在受到周期或非周期角向挡板调制时产生的焦场重新分布，而且可以通过设计挡板结构参数控制焦场特性、传输模式的角动量分离。