非傍轴电磁光束的偏振奇点及其演化新特性研究

A deep study of polarization singularities of non-paraxial electromagnetic beams(non-PEMBs) is beneficial to understanding the physical nature of polarization and polarization singular phenomena. A new singular Stokes-polarimetry combining polarimetry and polarization singularities has found applications in fine metrology. In this project, starting from the polarization singularities of non-PEMBs with a longitudinal field component and Lissajous singularities of polychromatic EMBs, we study the evolution of polarization singularities of electric and magnetic fields and spectral Stokes singularities of partially coherent non-PEMBs and the dynamical propagation of Lissajous singularities of polychromatic non-PEMBs, the typical existing form, evolution and control of polarization singularities, where, based on the rigorous electromagnetic field theory and our developing method, the intuitive insight into the physical nature of non-PEMBs and the new dynamical evolution behavior of polarization singularities is stressed. Our results would be usefull for controlling polarization singularities and understanding polarization and polarization singular phenomena of vector electromagnetic wavefields in the light frequency range, and for predicting new physical phenomena and experiments, as well as for extending vector singular optics regime and providing theoretical basis for new applications of vector singular optics in fine metrology and biomedicine, etc.

对非傍轴电磁光束偏振奇点的深入研究有助于进一步认识偏振和偏振奇异特性的物理本质。由测偏术和偏振奇点相结合形成一类新的奇点Stokes测偏术，在精密测量中已获得应用。本项工作以对有纵向场分量非傍轴电磁光束的偏振奇点和多色电磁光束的Lissajous奇点等物理问题的研究为出发点，对电场和磁场的偏振奇点和非傍轴部分空间相干电磁光束光谱Stokes奇点的演化，以及非傍轴多色电磁光束Lissajous奇点的动态传输等问题开展工作，深入研究偏振奇点存在的典型形式、演化和控制。主要特色为基于严格的电磁场理论和用我们发展的一些研究方法揭示出非傍轴单色和多色电磁光束偏振奇点更为深刻的物理本质和偏振奇点动态演化的新特性，实现对偏振奇点的有效控制，深化对矢量光频电磁场偏振和偏振奇异性的认识，预测新的物理现象和实验结果，扩展矢量奇点光学的研究范畴，并为矢量奇点光学在精密测量和生物医学等方面的新应用提供理论依据。

本项目开展了电磁光束电场和磁场的偏振奇点及其比较、部分相干电磁光束光谱Stokes奇点的演化、非傍轴多色电磁光束Lissajous奇点的动态传输和实验证实等四个方面的研究，取得的主要研究成果如下：.（1）对傍轴和非傍轴电场和磁场的偏振奇点在自由空间传输、在聚焦场、在干涉场和衍射场的演化和控制进行了研究和比较。深化了对电磁束的偏振奇点变化规律和对拉盖尔-高斯光束在半屏空间传输中电场和磁场的偏振奇点变化规律，以及高斯涡旋光束在焦区电场和磁场的偏振奇点变化规律的认识。.（2）研究了部分相干刃型位错光束在自由空间和聚焦场光谱Stokes奇点变化规律。研究了部分相干高斯涡旋光束的束腰宽度以及涡旋离轴量等变化对源平面以及自由空间电场和磁场中的光谱Stokes奇点的影响。深化了对部分相干光束在自由空间传输光谱Stokes奇点的演化特性的认识。.（3）研究了多色矢量光束利萨茹奇点旋向性，导出了利萨茹奇点旋向性一般公式，讨论了矢量光束自由空间和通过像散透镜时利萨茹奇点演化特点；研究了非傍轴光束的利萨茹奇点在自由空间的演化行为；研究了傍轴和非傍轴利萨茹奇点偶极子在自由空间的演化行为。深化了对多色矢量光束利萨茹奇点变化规律的认识。.（4）提出了一种检测光谱Stokes参数的实验方法，并对随机电磁光束和径向偏振随机电磁光束的光谱Stokes参数进行了实验测量。从理论和实验两方面对径向偏振高阶贝塞尔-高斯涡旋光束在自由空间传输的光强分布和偏振特性进行了研究，发现在传输中由径向偏振逐渐演变为椭圆偏振和线偏振的杂化状态，并检测到偏振奇点（C点和L点）的存在，实验与理论研究结果基本一致。.课题组成员在国内外重要学术期刊已发表32篇高质量的学术论文，其中<SCI>收录24篇，<EI>收录28篇/次。.综上所述，课题组已完成了项目申请书要求的主要研究内容，在理论和实验研究上取得了突破，为后续的相关研究奠定了坚实的基础。