非对称完美涡旋光场的产生、调控及在微粒操纵中的应用

Different with the traditional optical vortex, perfect vortex (PV) is becoming a research focus in the light field modulation, which has a certain vortex diameter independent of the topological charge (TC). Recently, the perfect vortex has been widely studied for applications of micro-particle manipulation and quantum communications, among others. However, the intensity mode of the PV only has a single type, which restricts the adjusting degrees of freedom and its application scope. Hence, developing a novel PV field has most important scientific significance, which can supply diverse intensity modes, more modulating degrees of freedom and wide range of applications. To meet this challenge for the research of the PV, this project proposes a new type of light field, called the asymmetric perfect vortex (APV), which possesses higher modulating degrees of freedom and more flexibility of beam shaping by combining the advantages both asymmetric vortex and perfect vortex. For this purpose, this project will study the APV’s generation, modulation and application in micro-particle manipulation. Through working hard, we will achieve the generation techniques of the APV field. Moreover, we will illustrate the modulation mechanism of the APV field, and then uncover the analytic expressions between the modulating factors and the modulated parameters of the APV. Finally, we will realize the application of the APV for micro-particle manipulation. Based on the research mentioned above, we look forward to revealing the physical image of the asymmetric perfect vortex and providing theoretical and experimental bases for its applications.

不同于传统涡旋光场，完美涡旋光场具有亮环半径不随拓扑荷值改变的优点，在微粒操纵及量子通讯等领域具有重要的应用价值，成为近年来光场调控领域的研究热点。然而，单一的光强模式分布限制了其调控自由度和应用范围；因此，发展一种模式分布丰富、调控能力强、适用范围广的新型完美涡旋光场具有重要的科学意义。针对完美涡旋光场面临的挑战，本项目拟发展一种非对称完美涡旋光场，该新型光场结合了非对称涡旋光场和完美涡旋光场的优点，具有更高的光场调控自由度和光束操控灵活性。为实现该目标，本项目将开展非对称完美涡旋光场的产生、调控及在微粒操纵中的应用研究。通过努力，突破非对称完美涡旋光场的产生技术；阐明非对称完美涡旋光场的调控规律，揭示调控因子与被调控参数间的解析关系；最终，实现非对称完美涡旋光场在微粒操纵中的应用。本项目的开展将构建清晰的非对称完美涡旋光场的物理景象，为该新型光场在相关领域的应用提供理论依据和实验参考。

近年来，由于完美涡旋中心暗核半径不随其拓扑荷值的增加而增大，使得完美涡旋与传统涡旋光束相比在耦合、传输等领域的应用中独具优势，相继涌现出大量高水平研究成果。然而，完美涡旋的优点，也恰好是完美涡旋光场目前面临困境的根源所在：其光强模式过于单一，不能满足很多领域的应用需求。基于此，本项目提出非对称完美涡旋光场，极大的丰富了完美涡旋光场的模式分布。主要研究成果如下：.(1)、提出了完美涡旋光束的模式自由变换技术。基于傅里叶变换的坐标缩放特性，将完美涡旋掩模板在一个坐标方向进行拉伸，实现了完美涡旋光束在圆形与椭圆形之间的自由变换；在模式变换过程中，其“完美涡旋”特性能够很好的保持。.(2)、基于光束独立传播原理，结合完美涡旋光场调控技术和单光路干涉技术，使用多完美涡旋叠加产生了一种多参数可自由调控的环形/椭圆环形光学涡旋阵列。所使用完美涡旋的拓扑荷、半径、初始相位差等物理参数分别控制着该环形/椭圆环形涡旋阵列子涡旋数量与符号、阵列大小及阵列旋转等。.(3)、基于固体物理中的晶体密堆积理论，结合混合相位编码技术，提出了一种结构可控的紧排布光学涡旋阵列的产生方法，实现了光学涡旋阵列可控空间结构的自由产生。同时，这种光学涡旋阵列具有每个光学涡旋的拓扑荷、半径和间距可独立、自由调控的优点。.(4)、利用相位梯度因子和相位阶跃因子替代拓扑荷参数，提出了一种新型结构光场——余数相位涡旋光场。研究发现：相位梯度因子决定光场总OAM且在传播中守恒；相位阶跃因子控制OAM的分布形状。.(5)、基于非对称复合相位操作技术，打破传统完美涡旋圆对称结构，提出一种镜像对称涡旋光束。该光束巧妙的实现了光学扳手与静态光镊的有机结合，在保证静态、稳定捕获的同时扩大了光阱的捕获范围。通过实际的酵母菌微操纵实验，发现光阱捕获范围可以扩大到3倍以上。. 这些研究为微粒操纵、光束整形、光镊技术及基于OAM的光通信等领域提供了模式丰富并且可控的多种新型结构光场。