数字双光子干涉、聚焦及其应用

Optical coherence and light-matter interaction are two important basic issues in optics, and usually they are studied almost independently in the literature. In fact, the optical field correlation function plays an important role in the nonlinear interaction of light with matter in the quantum theory of light-matter interaction. In this project, we will first study the effect of phase fluctuation of classical light such as laser on its optical field correlation function, and then try to realize the multi-photon interference and two-photon focusing effect with a spatial resolution surpassing the classical diffraction limit determined by the Rayleigh criterion. Based on these results and refering to the concepts and principles of digital holography, we will develop the way to control digitally the multi-photon interference and two-photon focusing through spatial light modulator and electro-optic modulator. Further more, we will study the effect of two-photon focusing of optical field on the light-matter interaction, which may lead to novel mechanism to enhance the nonlinear interaction of light with matter. These results may provide deep insights on the optical coherence of light and the light-matter interaction, and have important potential practical applications such as micro-fabrication with super-high spatial resolution, precision measurement and high sensitive optical probing.

光的相干性和光与物质的相互作用是光学领域的两大重要基本问题，然而在很大程度上这两个基本问题是分别独立地被研究。事实上，从光与物质相互作用的量子理论来看，光场的高阶相干性将直接影响光与物质的非线性相互作用。在本项目中，我们将首先研究光场的相位扰动对于激光等经典光场的高阶相干性的调控作用，以实现突破传统光学衍射极限的多光子干涉和双光子聚焦效应；并借鉴数字全息技术的相关概念和方法，利用空间光调制器和电光调制器实现对多光子干涉和双光子聚焦效应的数字化调控；进一步研究双光子聚焦效应对光与物质相互作用的影响，探索实现光与物质非线性相互作用增强的新途径。这些结果不仅对深入认识光的相干性和光与物质相互作用具有重要的基础理论意义，而且在超高空间分辨微细加工、精密测量以及高灵敏度探测等方面具有重要的实际应用价值。

光的相干性和光与物质的相互作用是光学领域最为重要的两个基本问题，两者之间存在内在的关联。本项目主要研究了光场的相位扰动对于激光等经典光场的高阶相干性的调控作用。研究利用空间光调制器实现对多光子干涉和双光子聚焦效应的数字化调控。研究双光子聚焦效应对光与物质相互作用的影响，探索光与物质非线性相互作用增强的新途径。项目执行期间取得了如下主要成果：（1）阐明了光源的相位扰动对于其多光子干涉效应的作用和影响，提出了多个光源相位扰动方案实现了对光场相干性的有效调控。（2）搭建了基于相位型空间光调制器的光波时空相位扰动实验装置，发展了基于空间光调制器的数字化多光子干涉调控技术，用于数字化调控入射激光等经典光源的波前空间分布和时间扰动变化，从而达到对光场相干性质的数字化调控。（3）基于空间光调制器的数字化调控技术，设计了随机相位光栅、相位关联多模光源和反相型相移光栅结构等，实现了一阶和二阶超分辨干涉效应；设计了同时具有透镜功能和模式相位关联的相位板，实现了具有海森堡空间分辨率极限的远场二阶关联成像。（4）设计了狭缝宽度啁啾调制的随机相位光栅，实现了双光子聚焦效应，并进一步研究了其光学非线性增强效应。上述成果在光信息与图像处理、光学非线性增强、超高空间分辨微细加工、精密测量以及高灵敏度探测等方面有潜在的应用。