空间光场的二维衍射聚焦机理与特性研究

Micro-nano focusing of light field is a focus of scientific research as it plays a significant role in breaking optical diffraction limit, hence realizing super-resolution microscopy. So far, researchers mainly concentrate on metallic nano-slit arrays fabricated by the micro-nano technologies to manipulate the wavefront of surface plasmonic waves, leading to light field focusing in micro-nano scale. Recently, we have theoretically and experimentally studied the diffractive focusing effect of surface plasmonic waves and surface gravity water waves by a single slit, which provides a more convenient and fast method to realize micro-nano focusing. Based on our previous work, this project will study the mechanism and characteristics of diffractive focusing of light field in two-dimension space, extending the concept of diffractive focusing from one- dimension to two-dimension space. We then further study the case of two successive slits, creating a tighter focusing of the waves by putting the second slit at the focal point of the first slit. Finally, we will study the propagation dynamics of the diffractive focusing light field in nonlinear medium. This work will change our traditional notion that optical light field would only diffract after propagating through diffractive hole, providing a new scope for breaking optical diffraction limit.

微纳尺度的光场聚焦是当前科学研究的热点，对突破光学衍射极限，实现超分辨显微成像具有重要的科学研究意义。当前，研究者主要利用微纳加工技术制备精细的狭缝阵列结构，来调控金属表面等离子体波的位相分布，从而实现波场的聚焦。近期，申报人利用单个狭缝分别实现表面等离子体波和表面水波的衍射聚焦效应，这种新物理效应是波场在早期演化阶段形成的干涉相长结果，能够为微纳尺度下实现光场聚焦提供更为便捷的方法。本项目在前期工作基础上，以空间光场为研究对象，系统研究光场经过二维小孔的衍射聚焦现象及其物理机制，建立光场衍射聚焦效应的理论模型，从而把波场的一维衍射聚焦效应推广至二维空间。此外，进一步研究空间光场的二次衍射聚焦现象，以及衍射聚焦光场与非线性物质结构的相互作用。本项目的科学研究价值在于改变空间光场经过小孔后衍射发散的传统观念，为突破光学衍射极限提供新视角。

微纳尺度下实现光场聚焦是当前科学研究的热点问题，对突破光学衍射极限，实现超分辨显微成像具有重要的科学研究意义。当前，研究者主要通过微纳加工技术制备精细的狭缝阵列结构来调控金属表面等离子体波的位相分布，从而实现微纳尺度的聚焦；通过超构表面在亚波长尺度对光场的相位进行调控，亦可实现光场聚焦。近期，项目负责人利用单个狭缝分别实现表面等离子体波和表面水波的衍射聚焦效应，这种新物理效应能够为微纳尺度下实现光场聚焦提供一种更为便捷的方法。有鉴于此，本项目在前期工作基础上，以空间光场为研究对象，系统研究了空间光场经过二维小孔的衍射聚焦现象及其物理机制，把波场的一维衍射聚焦效应推广至二维空间。更进一步，我们将偏振和涡旋特性引入光场中，成功实现了矢量涡旋光场的衍射聚焦效应，并在亚波长尺度下实现了无衍射结构光场，这为光学超分辨成像，微纳光操控等领域提供新原理。此外，我们还从理论和实验上观察到了矢量涡旋光场在各向异性晶体中的自旋轨道相互作用，利用空间各向异性调控矢量涡旋光场的衍射行为，并首次观察到自旋-轨道霍尔新效应。本项目的研究成果将为突破光学衍射极限，为在亚波长尺度下的光场调控提供新的原理和途径。..通过本项目的研究，本项目团队在Physical Review Letters，Optica，Optics Letters, Optics Express等本领域权威期刊发表了标注论文8篇，其中第一和通讯作者论文6篇，申请了两件国家发明专利。在人才培养方面，项目负责人入选广东省珠江人才计划青年拔尖人才项目，入选暨南大学杰出人才项目，研究成果获国际著名期刊Light: Science & Applications评选为“Rising Star of Light”称号，入选中国光学“十大进展”候选名单；同时，培养了青年教工2名，硕士和博士研究生6人，其中多位研究生在国家级等各类学术活动中表现突出，多位学生获得国家级奖项表彰。