具有特殊传输特性的结构光束和电子束的构造及实现研究

The vortex beam with orbital angular momentum(OAM) and the non-diffracting beam with self-healing characteristics are the two kinds of most important special beams at present. It is worth noting that the current non-diffracting beam has a large number of sidelobes, and the production of sidelobe-free non-diffracting beam is still a challenge and a hard task. On the other hand, the electron vortex beam and the non-diffracting electron beam have recently been proved to have important applications. Therefore, this project aims to study a class of optical beam and electron beam with special propagation characteristics, which including: (1) Sidelobe-free, non-diffracting vortex beam and needle shaped optical beam, the two kinds of special non-diffracting beams; (2) Sidelobe-free non-diffraction electron vortex beam and needle shaped electron beam; (3) A special vortex beam that its OAM automatically changes with propagation distance. First of all, based the Helmholtz equation, we propose a propagation model for sidelobe-free non-diffraction vortex beam and needle shaped beam, and study the propagation properties by simulating. Then, we design the experimental setup to achieve these two kinds of non-diffracting optical beams experimentally. Finally, using the theory proposed in our project, we study how to produce sidelobe-free non-diffracting electron vortex beam and needle shaped electron beam, and OAM tunable electron vortex beam in experiment.

具有轨道角动量的涡旋光束和具有自愈合特性的无衍射光束是目前最为重要的两类特殊光束。值得注意的是，目前的无衍射光束都有大量的旁瓣存在，而产生无旁瓣的无衍射光束仍是一个挑战和难题。另一方面，涡旋电子束和无衍射电子束最近也被证明具有重要的应用前景。因此，本项目拟研究一类具有特殊传输特性的光束和电子束，包括：（1）无旁瓣无衍射的涡旋光束和针形光丝两种特殊的无衍射光束；（2）无旁瓣无衍射的涡旋电子束和针形电子束细丝；（3）轨道角动量随传输距离而自动变化的特殊涡旋电子束。首先，从赫姆霍兹方程出发，构建无旁瓣无衍射涡旋光束和光丝的理论传输模型，并采用模拟仿真的方法进行传输特性研究；然后，设计实验方案在实验上实现这两类特殊的无衍射光束；最后，利用项目前期提出的光场调控理论，在实验上产生具有无旁瓣无衍射特性的涡旋电子束、电子束细丝和轨道角动量可调的涡旋电子束。

因为在光通信和光学微操纵等领域的重要应用前景，具有特殊传输特性的结构光束是近年来国际上的一个研究热点。本项目深入研究了几种具有特殊空间结构和传输特性的结构光束，包括无衍射涡旋光束、开口涡旋光束、不对称光学涡旋阵列、及复合涡旋光束等。不仅在理论上研究了这些的结构光束的构造方法，还在实验上产生了这些光束，并且研究了这些光束的传输特性。此外，还研究了几种新型涡旋光束的拓扑荷（轨道角动量）检测方法，包括对高阶涡旋光束的拓扑荷检测方法和部分相干涡旋光束的拓扑荷检测方法等。最后，项目还研究了具有特殊结构的涡旋电子束、表面等离激元涡旋以及超快激光涡旋的产生机理及应用，包括研究了具有同心圆结构的高阶涡旋电子束的产生方法和一种可以用来激发SPP涡旋光的双层阿基米德螺线分布的超表面结构，还研究了强聚焦圆偏振飞秒脉冲激光的自旋-轨道角动量转化机理，并利用该光束操控金纳米粒子，得到了高速轨道旋转的转子系统等。. 项目执行期间，在Nature Communications，Nano Letters，Laser Photonics Review，和Advanced Photonics等国内外高水平发表SCI论文24篇，其中一区7篇，二区7篇。在国际/国内会议上做特邀报告12次，担任国际会议分会场主席4次；授权发明4项。培养博士研究生7名，其中毕业1名，在读6名；培养硕士研究生16人，其中毕业7人。各项指标均超额完成了预期目标。