部分相干矢量光束紧聚焦特性及其焦场调控研究

Recently, the joint manipulation of coherence and polarization of the light field has become one of the research topics of optical field, which will be used to discovery new features of tight focusing properties and enrich the methods of focal field manipulations. More elaborate focusing field structures will be obtained through this method, which has great potential use in super-resolution imaging, micro/nano- fabrication technology et.al.. Currently, the study of tight focusing properties of beams is focused on coherent vector beams. For partially coherent vector beams, especially for non-conventional correlated vector beams, the tight focusing properties are rarely studied. This project will carry out the study on tight focusing properties of partially coherent vector beams and develop a new method for focal field manipulations by solving inverse problems. We will establish the theoretical model of partially coherent vector beams and built the relevant experimental generation system. We will study the focusing processing of partially coherent vector beams passing through high numerical aperture optical system and its focal field properties, i.e., the intensity, degree of coherence and polarization distributions. We will design the incident light field, by flexibly manipulate the coherence and polarization structures based on the specific focal field distribution through solving inverse problem. The research of this project will greatly expand the manipulation method of tight focusing and promote its practical applications in laser processing and free space optical communications.

通过对光场相干和偏振的联合调控，深入挖掘光场的紧聚焦特性，丰富焦场调控的手段，获得更为精细的聚焦光场结构，并应用于超分辨成像、微纳加工等领域，是目前光学领域的一个重要研究课题。目前，对光束紧聚焦特性的研究还局限于完全相干矢量光束，对部分相干矢量光束，尤其是非传统关联的矢量光束，其紧聚焦特性的研究还很少。基于此，本项目将开展部分相干矢量光束紧聚焦特性的研究，并通过求解逆问题实现焦场调控的新方法：首先，构建部分相干矢量光束的理论模型，搭建相关的实验产生系统；其次，研究部分相干矢量光束通过高数值孔径光学系统后的聚焦传输过程及其焦场特性，如光强、相干度以及偏振态分布；最后，根据特定的焦场分布，通过求解逆问题来反推入射光场的相干结构和偏振态分布，从而实现焦场的灵活调控。本项目的研究将极大的拓展光束紧聚焦的调控手段，促进其在激光加工及自由空间光通讯等领域的实际应用。

通过对光场相干和偏振的联合调控，深入挖掘光场的紧聚焦特性，丰富焦场调控的手段获得更为精细的聚焦光场结构，并应用于超分辨成像、微纳加工等领域，是目前光学领域的一个重要研究课题。基于此，本项目围绕部分相干矢量光束及其紧聚焦特性开展了以下几方面的工作：构建了部分相干矢量光束的紧聚焦理论模型，并确定了部分相干光束的相干结构、偏振态、相位、光束宽度和透镜的数值孔径都会影响焦场的分布，在此基础上，重点研究相干结构和偏振态对焦场的调控作用；研究了带宽部分相干矢量光束远场的斯托克斯参数和偏振度，发现远场的偏振特性和频率相关；研究了部分相干矢量光束在杨氏实验中的偏振分辨闪烁特性，揭示了四个光谱斯托克斯闪烁符合求和规则，并允许在它们之间进行权衡；研究了部分相干光束在传输中，其光谱保持不变的条件可以是光源的相干长度和光源宽度与频率有关，这为以后研究部分相干光束紧聚焦特性提供了一新的思路，比如可以将光源参数与频率的关系考虑在内；研究了拉盖尔-高斯关联结构光束在渐变折射率光纤中的传输特性和高阶贝塞尔高斯光束在海洋湍流中的轨道角动量串扰概率特性，这为部分相干光在通信方面提供理论支撑。 .上述工作为进一步开展部分相干矢量光束紧聚焦的焦场调控奠定基础，同时，本项目的开展丰富了光场传输与调控研究，并为部分相干矢量光束在粒子俘获、光通信等实际应用提供理论基础。