具有自修复能力光束的传输特性、自修复机理和腔外构建

Existing research shows that some beams can reconstruct their optical field partially distorted by particles. The self-healing properties of these beams make them very useful in the field of atom cooling, micro-control and microscopy. In the past years, based on the existing study of the self-healing of intensity for some beeam, we have investigated the self-healing ability of the intensity, phase and polarization for some beams. In the item, our study includes the three parts. In the first part, with the help of the proceding research, the self-healing ability of some beams which are selected for their self-healing ability are studied. From these studies, the physical foundation and mechanism of the self-healing properties of the beams and the relation between the self-healing ability and the properties of the beams will be found. Meanwhile, an approach for quantitative description of the self-healing ability of intensity, phase and polarization is proposed. In the second part, based on the recognition of the self-healing properties of the beams in vacuum, the effects of turbulence on the self-healing of beams will be studied both in theory and experiment.With the help of the study, an approach which can decrease the effects of turbulence by using the self-healing properties of beam is proposed, and the compensation for the self-healing ability of different beams is achieved by using the optimal control technology. In the third part, we want to seek how to construct the a new optical fields with strong self-healing ability outside of opical cavity. One or more optical fields with strong self-healing ability will be constructed in the experiment.

部分光束在传输过程中能够自动修复因局部遮挡而造成的光斑破损，即具有自修复特性。这种特性使其在原子冷却、微观粒子操纵和成像等多方面都有重要的应用。项目组在已有关于光束光强自修复的研究基础上，结合我们对光束的光强、相位和偏振自修复特性的研究结果，首先对不同光束的光强、相位和偏振的自修复特性进行研究，确定本项目拟研究的部分代表光束。并以这些光束为研究对象，开展理论和实验研究，通过对比、分析，探究光束的光强、相位和偏振的自修复规律，揭示其自修复机理，提出定量评价光束的光强、相位和偏振自修复能力的方法；然后在对真空中光束光强、相位和偏振自修复特性的认识基础上，研究湍流对光束自修复特性的影响规律，提出利用自修复特性和控制理论抑制湍流对光束特性的影响的方法，实现对光束自修复能力的实时补偿。最后，在光束自修复特性的研究基础上探索腔外构建具有较强自修复能力新光场的方法和途径，并在实验室完成对新光场的构建。

本项目在激光通信、原子冷却、纳米到微米量级的粒子操纵和物质微观成像等许多方面都有重要的应用背景。在国家自然科学基金资助下，我们首先对光束的振幅、相位和偏振的自修复特性进行了系统的研究，结果表明具有自修复特性的光束在振幅、相位和偏振等方面均具有自修复特性，得出全光场自修复特性的概念，并在此基础上研究了全光场自修复特性的物理机理。然后，为了实现用一种标准对不同光束的自修复能力进行评价，我们提出了自修复能力的定量描述，并对部分光束的自修复能力进行了定量比较。接着我们在真空中自修复能力的研究基础上，开展了湍流环境下光束自修复能力的变化规律研究，并提出了从光束自修复能力出发抑制湍流对光束特性影响的方法，基于自适应光学系统在激光大气传输中的广泛应用，我们研究了利用自适应光学系统对具有自修复特性光束的补偿，研究结果表明，自适应光学系统能够对具有自修复特性光束进行自修复补偿，但是这种补偿对自适应光学系统的性能有较高的要求。最后，我们利用相干合成技术研究了大尺度、高能量Bessel光束的产生方法，并与理想Bessel光束的传输进行了比较，结果表明，尽管这种相干合成的Bessel光束在能量上有一些损失，但其仍然具有基本的Bessel光束的传输特性和自修复能力。. 通过本项目的研究取得了一批研究成果，具体的研究成果有：发表有标注基金号的SCI收录论文14篇，其中12篇为第一标注，2篇为第二标注。另外培养博士研究生2名，硕士研究生2名，本科生4名。. 其科学意义在于：加深了对自修复能力光束的认识，拓展了自修复的范围，实现了不同光束自修复能力的比较，提出了用相干合成方法实现具有自修复能力光束的构建，论证了用自适应光学系统对光束自修复能力进行实时补偿的可行性。