空间结构光场的多参量纵向调控及新效应研究

In recent years, the spatial modulation on polarization, phase and amplitude of light fields has produced numerous of unique spatially structured light fields (SSLFs), and given rise a series of novel physical phenomena and effects, becoming an interesting research topic. The main purpose of this project is to exploit new spatial freedom degree for the modulation. On the one hand, creates the theoretical model for the longitudinal modulation on multiple parameters of SSLFs, and explores the underlying principles for the realization of multiple parameters that vary with propagation, then reveals the basic physical laws of propagating dynamics, including spin-orbit coupling, energy flow directional controlling and so on. On the other hand, studies the enhance mechanisms and modulation rules of longitudinal component of light field, constructs SSLFs having topological property in three dimensions, and explores the underlying effects and phenomena. The main contents in this project include: 1. Longitudinal modulation mechanisms on the multiple parameters of SSLFs; 2. Propagating dynamics of light fields under longitudinal modulating; 3. Novel effects induced by the modulating of longitudinal component of light fields. The research progresses would exploit the light modulation from two-dimensional plane to three-dimensional space, and develop new modulation technics. It would also reveal novel photon states, further deepen cognition of SSLFs, and provide new theory supports and effective technical means for many applications, such as optical micromanipulation, information transfer, material processing and quantum simulation etc.

近年来，基于光场偏振态、相位和振幅的空域调控研究，催生了一批独特的空间结构光场，揭示了一系列新奇的物理效应和现象，成为国内外研究热点。本项目以拓展光场的空域调控维度为目标，一方面，建立空间结构光场多参量纵向调控的理论模型，探索实现光场多个参量随传输变化的基础原理，揭示多参量纵向调控下的自旋-轨道耦合、能流定向调控等传输动力学行为中的基本物理规律；另一方面，探索光场的纵向分量增强及调控规律，构建具有拓扑特性的光场，揭示由此导致的新现象和新效应。主要内容包括：①空间结构光场的多参量纵向调控机理；②多参量纵向调控光场的传输动力学；③基于光场纵向分量调控的新效应。通过上述研究，将光场调控由二维平面拓展到三维空间，以期发展光场空域调控新技术，揭示新颖的光子态，进一步加深对空间结构光场的理论认知，为拓展空间结构光场在光学微操纵、信息传递、材料处理、量子模拟等领域的应用提供新的理论支持和有效技术手段。

近年来，基于光场偏振态、相位和振幅的空域调控研究，催生了一批独特的空间结构光场，揭示了一系列新奇的物理效应和现象，成为国内外研究热点。本项目以拓展光场的空域调控维度为目标，一方面，建立空间结构光场多参量纵向调控的理论模型，探索实现光场多个参量随传输变化的基础原理，揭示多参量纵向调控下的自旋-轨道耦合、能流定向调控等传输动力学行为中的基本物理规律；另一方面，探索光场的纵向分量增强及调控规律，构建具有拓扑特性的光场，揭示由此导致的新现象和新效应。.所完成的主要研究内容包括：1）构建了利用Frozen wave实现空间结构光场偏振态、相位和振幅多参量纵向调控的理论模型，实现了偏振振荡光场的产生；利用随机傅里叶相位编码方法实现了空间结构光场偏振态、相位和振幅多参量的三维调控。2）分析了空间结构光场的传输特性，基于贝塞尔高斯和拉盖尔高斯的准无衍射特性以及固有的Gouy相移诱导了模式双折射，提出了一种在自由空间中的新型自加速旋光效应；揭示了离轴涡旋位置和拓扑荷对自动聚焦圆艾里光束的传输稳定性的影响。3）实现了涡旋拓扑“结”、“链”结构的产生与调控，通过调控入射光的偏振态实现了两种不同的拓扑结构的切换，分析了小尺度拓扑结构传输鲁棒性。4）揭示了紧聚焦条件下的光场纵向分量增强对三维角动量分布的调制作用，阐明了光场轨道角动量在自旋角动量转化过程中的“催化”作用。.所提出的光场纵向调控理论方法，实现了三维空间同时控制光场的多个参量的空间结构，对光学成像、显微和光操控等应用具有重要价值。发展的新颖调控技术及器件，有效解决了现有系统体积大、系统复杂度高以及无法多参量调控等缺点，高效构建的新颖焦场等为光学操控、材料加工、偏振敏感探测等方面的应用提供了新的技术途径。