基于飞秒直写介电微纳结构的光场调控及应用研究

Recently, optical field manipulation has made a great progress with the rapid development of the technology and deep understanding of lasers, which has resulted in various novel effects and phenomenon. As a result, it becomes a leading hot topic in optics and related subjects. However, it also meets some new challenges, e.g., the low output power of the manipulated optical field due to the low damage threshold of liquid-crystal spatial light modulator. At the same time, the miniaturization of the optical devices also puts forward new requirement of the light modulator. Based on these challenges, we put forward a new idea and method to realize the efficient light manipulation utilizing dielectric micro/nanostructure. In this project, we will explore the key technology to directly fabricate dielectric micro/nanostructures using femtosecond laser direct writing. We will study its interaction and the manipulating mechanism with optical fields, and explain the principle to manipulate the phase, polarization and amplitude of certain optical field, and explore the novel effects and phenomenon. Based on the theoretical and experimental results, we will try to make clear the effective method and principle to manipulate light field by multiple freedom modulation in micro-sized space, and study the physical problems underlying deeply and systematically, realizing the customized manipulation of optical field, and consequently boosts the rapid development of optical manipulation itself and its applications.

近年来，随着人们对激光认识的不断深入和技术的迅速发展，对光场的空域调控取得了巨大的进步，由此促生了诸多新效应和新现象，因此成为当前光学及相关学科领域的一个前沿研究热点。但同时，光场调控领域也面临一些新的挑战，比如基于液晶空间光调制器的光场调控受其损伤阈值的限制而导致光场功率较低，同时由于光器件的不断微型化、集成化的发展趋势，这对光场调控器件也提出了新的要求。鉴于此，本项目提出基于介电微纳结构的光场调控新思路和新方法，同时解决上述问题。本项目将探索飞秒直写介电微纳结构的关键技术；基于介电材料微纳结构，研究其与光场的相互作用机理及对光场的调控特性，阐释光场相位、偏振和振幅的调控机理和特点，发掘其中的新效应和新现象；基于理论和实验结果，探索在亚波长尺度上更行之有效的光场多参量调控的原理和方法，对其中的基本物理问题进行系统深入的研究，最终实现对光场的定制调控，促进光场调控及其应用快速发展。

课题组在为期四年的项目执行期中，按照预期研究内容开展了相关的研究工作，取得了诸多颇具特色的研究成果，圆满完成了课题任务书规定的内容。本课题搭建了基于飞秒矢量光场进行介电微纳结构直写的实验平台，基于该平台实现了各种复杂微纳结构的直写；建立了基于光控液晶分子取向技术的液晶介电微纳结构直写技术，将制作的微纳结构应用于矢量光场的生成调控以及光场拓扑荷的表征等；基于偏振调控的飞秒激光研究了飞秒激光与介电材料的非线性相互作用过程，探索了飞秒激光在介电材料中进行成丝的物理机理，掌握了关键实验要点和技术；探索了进行光场定制调控的技术路线和实验方案，对光场的焦场可实现任意定制；在课题组前期研究的基础上实现了对光场的局域角动量的操控，为基于光场角动量的相关研究及应用奠定了坚实的基础。此外，基于光场调控研究平台还进行了拓展研究，进一步拓宽了研究的视野。经过四年的探索和研究，已掌握了微纳结构直写相关的技术重点和难点，取得了一系列较高水平的研究成果，拓展光场调控的思路和技术手段，促进了光场调控及其应用领域的发展，同时进一步提升了课题组在光场调控领域的研究水平及国内外的学术地位。. 截至目前，已在国际著名期刊发表学术论文30篇，其中3篇APL Photonics，4篇Opt. Lett.、6篇Opt. Express、2篇Photon. Res.、1篇Optica、1篇J. Opt.、1篇JOSA A、2篇JOSA B、4篇Chin. Phys. Lett.、4篇Chin. Opt. Lett.。申请专利4项，其中3项获得授权。参加国内外重要学术会议作邀请报告14人次，其中2人次邀请报告，2人次口头报告，10人次张贴报告（其中1人次获得最佳张贴报告奖）。人才培养方面，在项目执行期内已毕业博士4人，硕士4人；目前在读博士生1人，硕士生4人。2人次获南开大学“公能奖学金”一等奖，3人次获南开大学“二等奖学金”；2人次获南开大学“三好学生”荣誉称号，1人次晋升教授职称。通过本项目，已经培养了一支由学术骨干和青年研究人员组成的光场调控及其应用研究团队，为后续相关研究奠定了良好基础。