新型构造光束的产生及其在光镊中的应用研究

Flat-top beams have important applications in laser processing , laser nuclear physics and biomedical engineering, etc. For the common flat-top model, the beam is no longer flattened when it propagates to the far field, or focused by a lens. This phenomenon seriously limits its practical value. On the other hand, a recent study showed that the partially coherent elegent Laguerre-Gaussian beam has important applications in optical tweezers. However, due to the elegent Laguerre-Gaussian beams do not represent the modes of a stable spherical-mirror optical resonator, so it is difficult to get the coherent or partially coherent elegent Laguerre-Gaussian in the experiment. The project will propose a method of using the structured light to solve the aforementioned scientific problems and practical issues. Firstly, based on Fresnel diffraction theory and Collins formula, we design two mathematical models for the two kind of constructed light, one beam can be evovled to a flat-top beam in the far-field, and another can be evovled to partially coherent elegant Laguerre - Gaussian beam. Then, we will do the experiment and generate the two kinds of beam experimentally. Lastly, study the application of the two kinds of structured beam in optical tweezers, and focus on of the designation of an optical tweezers that has a theoretically infinite gradient force. This project will help us to explore the new technologies in optical manipulations.

平顶光束在激光加工、激光核物理及生物医学工程等领域均有着重要的应用价值。而常见的平顶光束模型在光束传输到远场或是通过透镜聚集后的焦平面上的强度分布将不再是均匀分布，这种现象严重的限制了其实际应用价值。另一方面，最近一项研究表明部分相干虚宗量拉盖尔－高斯光束在光镊技术中具有有重要的应用前景。但由于虚宗量拉盖尔－高斯光束不是稳定球面腔的模，所以很难在实验中产生相干或部分相干虚宗量拉盖尔－高斯光束。本项目将提出一种采用构造光束的方法解决上述的这两类实际应用及科学问题。首先，拟根据菲涅耳衍射理论及Collins公式，构造两种光束的数学模型，使该两种光束传输到远场后分别演变为理想的平顶光束和部分相干虚宗量拉盖尔－高斯光束。并在实验上产生这两种光束。然后，研究这两类光束在光镊中的应用，并重点研究一种理论上可产生无穷大梯度力的新型光镊，为探索新型的光学操控技术提供思路。

新型构造光束因为独特的空间结构，在光镊、激光激光及纳米技术方面具有重要的应用前景。项目开展期间，按照申请书的研究内容和研究方案，深入地研究了新型构造光束的理论模型及实验，并研究了利用新型构造光束进行纳米粒子操纵的理论和实验研究。在理论上提出了几种新型的构造光束，包括理想平顶光束、部分相干反常涡旋光束和反常贝塞尔涡旋光束等，并在实验上实现了一些具有奇特空间结构的构造光束，并开展了利用这些新型具有特殊结构的光场进行纳米粒子操纵的理论和实验研究。在项目开展的过程中，做出了若干项重要的理论创新和实验验证：（1）提出了反常贝塞尔涡旋光束的理论模型，并在实验上实现了这类拓扑荷随着传输距离连续变化的反常贝塞尔光束,研究成果发表在Nanophotonics上；（2）发现了旋转对称结构中的轨道角动量选模原理，研究成果发表在Physical Review Letters上；（3）实验上产生了点状阵列结构的空间光场，并利用该光场进行了金属纳米颗粒的操控，相关成果发表在Nanophotonics上。..项目立项时预期发表SCI收录的学术论文10篇以上（其中二区以上论文4篇），截止结题时已经录用和发表SCI论文13篇（其中发表11篇，录用2篇），包括一区论文3篇，二区论文4篇；预期申请发明专利2项，实际申请了3项发明专利；预期培养硕士研究生6名以上，实际已经培养14名硕士研究生，并正在指导博士研究生2人和硕士研究生7人。各项目标均超额完成。