矢量焦场的构建、调控与表征及其在光学微操纵中的应用

This project aims to configure the multi-parameter controllable vectorial focusing and explore its applications. we will make approcah to property and generation of vector beams with aribitray polarization state, to design the focus with specific structure, and to explore physical effects as well as the applications of focus shaping in optical micromanipulation. Our study will focus on the following issues: to establish the formalism of propagation of vector field with space-variant parameters; to explore the focusing property of vector beams and to study how to tailor focal volume structure through the manipulation of phase and polarization of the incident light beam; to look for the novel method and experimetal configuration to realize the vector beams with spatially inhomogeneous polarization, phase as well as amplitude and to find the way to perform phase modulation and polarization control of vector beams; to invesitigate the optical currents in the vectorial focus and to analyze the dynamics of spin and orbital corrents; to invesitage the possibility of exciting suface polaritons by using the vectorial focus and to find the optical traping properties of the suface polaritons excied by the vector beams; to expand the applications of vectorial focus in the near-field optics as well as super-solution imaging; to develop the methods for measuring the distrbutions of multi-parameter of vector field and the expremental setups for this purpose.

本项目以构建相位、偏振和振幅等多个参量独立可调的矢量焦场及其应用为目的，寻找相位、偏振和振幅的空间分布可调的新型矢量光场的产生方法，设计特殊构型的矢量焦场，研究矢量焦场在光学微操纵中的应用和效应。建立空间分布变化的多参量的矢量光场的时空演化模型，探讨相位、偏振和振幅等多参量可调的入射光场对聚焦特性的影响，特别关注对焦场中的参量分布进行调控的方法。研究具有特定空间构型的矢量焦场的设计方法和实验手段，实现多参量调控的矢量焦场的优化设计。探索多参量受控矢量焦场中的自旋光学流和轨道光学流的动力学效应，重点研究焦场中的空变偏振态分布的自旋力性质。研究近场条件下的矢量焦场激发金属表面等离激元的特性，以及激发表面等离激元在光学微操纵中的动力学效应，探讨矢量焦场设计在超分辨率显微成像以及其他近场光学中的应用途径。研究矢量场属性参量测量和表征的新方法，寻找适用于焦场探测的实验手段和理论分析方法。

如何控制和调节光场对发现光学新效应和充分发挥光场的功能极为关键，其中焦场的设计与调控尤为重要。本项目以构建相位、偏振和振幅等多个参量独立可调的矢量焦场并且发现其新效应为目的，发展了构建和生成新型矢量光场的技术思想，提出了获得特殊结构矢量焦场的一系列设计方法，探讨了矢量光场的多种效应，取得了多项有创新的研究成果。主要成果包括：（1）提出了实现具有空间分布空调的振幅、偏振和相位的矢量光场的多种新方法，实验上生成出任意分布的且各参量可被独立动态调控的矢量光束；（2）提出了非迭代的矢量焦场正向设计方案，构建出连续分布结构的矢量焦场的新方法，实验生成出相位梯度和偏振态梯度可控的三维矢量焦场；（3）提出将稳定结构传输光束的标量理论运用到连续分布结构矢量光场的构建中，创造性地设计出多种新型的矢量光场；（4）提出了获得非常规完美涡旋的新方法，实验生成出多种特殊构型的三维分布光学涡旋阵列；（5）提出了逆向设计目标焦场的新方法，可以快速算出目标焦场所对应的入射场；（6）提出了复光场调控宏像素编码和伪周期调制几何的入射场设计方法，实验上获得了多种偏振态共存、且位置和数目任意可调的三维阵列型矢量焦辬；（7）提出了运用S-波片进行矢量涡旋滤波以达到图像边缘增强的新方案，实现了图像的定向边缘增强；（8）研究了具有特殊结构的矢量涡旋光场的传播行为和光物理效应，发现源自矢量涡旋拓扑性质的光场稳定传播特性；（9）提出了利用对初始光场偏振分量加载焦散相位的思想，可以控制光场偏振态在传输过程的演化行为；（10）设计出多种新型的表面微结构，利用超颖表面激发的表面等离激元，实现了光场的亚波长聚焦和调控；（11）发展了基于空间光调制器的横向剪切干涉技术，可以对光场的参量如相位分布和相干性分布进行测量表征；（12）针对光场调控的核心装置—空间光调制器，提出了新的共光路显微干涉测量方法，可以精确测定空间光调制器每个像素的相位调制特性。