二维狄拉克材料调制的脉冲高阶庞加莱球光束产生及其时空特性调控研究

The manipulation of spatiotemporal structured light can make the operating behavior of the spatial and temporal domain of light flexible, which has tremendous potential applications in micro/nano manipulation, super-resolution imaging, electron acceleration, classical and quantum communication, material processing, etc. Based on our previous work, the project aims to deliver the spatiotemporal controlled higher-order Poincaré beam from laser. We will give a theoretical model to analyze the third-order nonlinear optical properties of two-dimensional Dirac materials under the excitation of pulsed vector vortex laser. We will also try to reveal the third-order nonlinear optical responses and manipulation potential of the two-dimensional Dirac materials, which can help us to further unveil their nonlinear optical response mechanisms. Finally, we will demonstrate a spatiotemporal controlled higher-order Poincaré beam from laser modulated by the two-dimensional Dirac materials. The research results can not only deepen our understanding of the nonlinear optical properties of two-dimensional Dirac materials, but also can enrich the manipulation ability of the structured light. Meanwhile, the theoretical and experimental results will further extend the potential applications of spatiotemporal structured light.

时空结构光场调控可以实现光场空间域与时间域的灵活控制，在微纳操控、超分辨成像、电子加速、经典及量子通信、材料加工等领域具有重要应用前景。本项目拟在前期研究基础上，以产生时空特性可控的脉冲高阶庞加莱球光束为目标，建立适用于分析脉冲矢量涡旋光场激发下二维狄拉克材料三阶非线性光学特性的理论模型，通过Z扫描等方法获得二维狄拉克材料三阶非线性光学响应特性和调控规律，进一步揭示其非线性光学响应机制，实现基于二维狄拉克材料调制的、时空特性可控的脉冲高阶庞加莱球光束输出。研究结果不仅有助于加深对二维狄拉克材料体系非线性光学特性的认识，又可丰富结构光场的时空域联合调控技术，同时可以进一步拓展时空结构光场的应用潜力。

时空结构光场调控可以实现光场空间域与时间域的灵活控制，在微纳操控、超分辨成像、电子加速、经典及量子通信、材料加工等领域具有重要应用前景。本项目在前期研究基础上，以产生时空特性可控的脉冲高阶庞加莱球光束为目标，理论结合实验研究了脉冲结构光场激发下二维狄拉克材料三阶非线性光学特性，获得了二维狄拉克材料三阶非线性光学响应特性和调控规律，揭示了其非线性光学响应机制，并实现了基于二维狄拉克材料调制的、时空特性可控的高阶庞加莱球光束输出。主要取得了以下一些成果：.(1)研究了MXene等二维材料的宽波段非线性光学特性，获得了其在紫外至中红外波段的宽带非线性光学参数和变化规律。在此基础上，探索了其在宽波段脉冲激光产生和非线性光学调制器件等方面的应用。部分工作入选ESI高被引论文和期刊封面论文。.(2)研究了材料参数、外场条件等对低维材料非线性光学特性的影响，实验获得了材料参数和外场对其光学特性的影响规律，并探索了其在脉冲激光产生、光单向传输器件等方面的应用。.(3)研究了二维狄拉克材料调制的、时空特性可控的高阶庞加莱球激光产生，获得了激光器构型和可饱和吸收体参数对激光器时刻特性的影响规律。设计并实现了一种激光特性全域可控的光纤激光器，结合调Q方法和体布拉格光栅，通过腔内偏振态的控制可以实现遍历高阶庞加莱球的光束输出。.课题组在IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.等刊物上发表论文20余篇，部分研究成果被遴选为ESI高被引论文或者期刊封面论文。在国内外学术会议作邀请报告6人次；培养和协助培养博士研究生6名，硕士研究生4名。获批2018年度高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学奖二等奖。