具有特殊相干结构部分相干光场紧聚焦特性及其在微粒操控中的应用基础研究

Coherence structure, as an important degree of freedom of optical fields, has important applications in many aspects, e.g., in the generation of novel light sources, the interaction between light and matter, and the free-space optical communications. This project starts with the coherence structure engineering of light fields, studies the tightly focusing properties of partially coherent fields with unusual coherence structures and the mechanical effect in the interaction process between partially coherent tightly focused fields and particles, and explores the application of the coherence structure engineering in the particles trapping. We will mainly study the following three aspects. First, we will study the shaping of the phase, polarization and coherence states of the tightly focused fields by the coherence structure engineering. Second, we will investigate the mechanical effect of the tightly focused fields with special coherence structures on the interaction between particles, and realize a richer particle trapping with the aid of optical field coherence structure engineering. Third, we will construct preliminarily in experiment the particles trapping system based on the coherence structure engineering, which lays a theoretical and experimental foundation for the application of partially coherent fields with novel coherence structures in particles trapping. We believe this project will not only provide new approaches for tightly focused field shaping, but also take more degrees of freedom into the optical manipulations.

相干结构作为光场的重要自由度，在新型光源产生、光与物质相互作用、自由空间光通信等众多领域中具有重要应用。本项目从光场相干结构调控入手，研究具有特殊相干结构部分相干光场的紧聚焦特性以及紧聚焦光场与微粒相互作用过程中的力学效应，探索光场相干结构调控在微粒操控中基础应用。主要研究内容包含以下三个方面：1) 研究利用光场相干结构调控实现紧聚焦焦场相位、偏振和相干态整形；2) 研究具有特殊相干结构的紧聚焦光场与微粒相互作用中的力学效应，利用光场相干结构调控实现更加丰富的微粒操控；3) 初步搭建基于光场相干结构调控的微粒操控系统，为新型相干结构部分相干光场在微粒操控中的应用奠定理论与实验基础。通过本项目的研究，一方面将为光学紧聚焦焦场整形提供新的方案，另一方面将为光场调控在光学操控中的应用提供更加丰富的自由度。

近年来，对光场相干结构调控研究受到了广泛关注，光场相干结构调控在引发一系列新颖物理效应的同时，在光场整形、大气光学、新型光学成像等领域得到了重要应用。本项目从光场相干结构动态调控及与高数值孔径相互作用入手，提出了基于模式叠加原理合成具有新型相干结构光场的实验方案，成功实现了标量和矢量部分相干光场相干结构动态调控；提出了广义Hanbury Brown—Twiss实验方案，实现了光场相干结构振幅和相位同时测量；开发了一套具有特殊相干结构部分相干光场的紧聚焦快速算法，利用快速算法，发现了相干结构调控对紧聚焦焦场横向和纵向场光强的调控作用；在部分相干、部分偏振紧聚焦光场中首次发现了三维偏振态，通过分析三维偏振态本征结构，发现了紧聚焦焦场自旋角动量由偏振纯态以及非寻常三维偏振态共同决定，进一步发现了相干结构对紧聚焦焦场自旋结构的调控作用；探索了相干结构调控对光场紧聚焦过程中自旋-轨道角动量耦合的重要影响；通过部分相干光场的紧聚焦研究了部分相干表面等离激元的激发，分析了相干结构做为全新自由度对表面等离激元场统计特性的调控作用；研究了具有特殊相干结构光场与散射介质的相互作用，发现了入射光场相干结构以及散射介质势相干函数的联合效应对散射远场光谱和偏振分布的调控作用；构建了新型相干结构部分相干光场与微粒相互作用的物理模型，研究发现通过调控相干结构分布，可实现焦场光梯度力空间分布调控，实现光学捕获范围以及捕获对称性的调控；搭建完成了一套基于部分相干光束相干结构调控的微粒操控系统，在实验中成功演示了微粒操控与分选。通过本项目的实施，深化了对新型相干结构光场紧聚焦三维偏振特性的认识，拓展了光场相干结构调控在光学操控中的应用。本项目在PhotoniX、Physical Review Applied、Physical Review A、Optics Letters、Applied Physics Letters等国内外权威刊物上发表学术论文25篇，其中邀请综述论文3篇，获授权发明专利16项，其中包含美国专利授权1项。