复杂结构光场在PT对称光学系统中的多维调控动力学研究

The concept of parity-time (PT) symmetry originates from quantum mechanics. The PT-symmentric optical system has attracted considerable attention and interest due to its novel physical phenomena and potential applications in corresponding fields. This project mainly aims for the complex structured optical field with hybrid states of polarization (SoP) distribution and specific phase modulation, and investigates the photodynamic characteristics of a structured optical field in the linear and nonlinear PT-symmentric optical system by the full-vectorial analysis method; the evolution of polarization and light fields near the exceptional point is particularly concerned, and construct the theoretical basis for the vectorial modulation of the PT-symmentric optical system. This project focuses on these studies: construct a full-vectorial physical model of space-time dynamics for the structured optical field in a PT-symmentric optical system; explore the dynamic characteristics of orthogonal polarization components in nonlinear PT - symmetric optical systems in detail. Analyze the novel effects, phenomena and applications that are resulted from the vector effect of a structured optical field in the linear and nonlinear PT-symmentric optical system, and reveal the underlying physical mechanism, so that to realize the further manipulation of the beam. Through theoretical calculation and experimental verification, design the original rational optical components with specific functions. Extend the application category of classical quantum mechanics.

PT对称的概念来源于量子力学；PT对称光学系统由于其具有独特的物理现象和在相应领域的潜在应用，已经吸引了国内外学者的广泛关注和极大的兴趣。本项目以具有杂化偏振态分布和相应位相调制的复杂结构光场为主要研究对象，以全矢量的分析方法研究结构光场在线性和非线性PT对称光学系统的光动力学特征；特别关注在奇异点附近偏振态和光场的演化情况，获得PT对称光学系统矢量调控的理论基础。本项目主要研究：建立结构光场在PT对称光学系统中的全矢量时空动力学物理模型，详细研究正交的偏振分量在非线性PT对称光学系统相互耦合的动力学特征；分析复杂结构光场在线性和非线性PT对称光学系统中由于矢量效应导致的新效应、新现象、新应用，揭示其内在的物理机理，实现对光束的进一步操纵；通过理论计算和实验验证，设计具有特定功能的原理性光学元器件；拓展经典量子力学的应用范畴。

P（宇称）-T（时间反转）对称的概念自2005年于量子力学引人到光学系统，已经引发了一系列新颖的光学现象和技术创新突破。深入而系统地研究复杂结构矢量光场在线性和非线性PT对称光学系统中的光学效应和矢量调控及其相应领域的应用，是一个具有非常重要的科学意义和实际应用价值的前沿课题。特别是不同偏振态在线性和非线性PT对称光学系统中的矢量效应，有着一系列新颖的光学效应和调控特征，其光学动力学特征和矢量调控将为经典量子力学应用范围的拓展提供了依据。本项目重点研究了复杂结构光场在PT对称强非局域非线性介质的动力学行为，以及涡旋和矢量涡旋光场在PT对称克尔介质中的崩溃动力学及矢量调控，揭示了复杂结构矢量光场在PT对称光学系统的演化和崩溃动力学特征，以及PT对称光学系统的复折射率分布、入射光场初始功率和涡旋拓扑荷对复杂结构矢量光场传输过程的线偏振和圆偏振之间的转换的调制机制，获得了比较全面和系统的复杂结构矢量光场在PT对称光学系统中矢量调控理论基础，为PT对称光学系统中操纵复杂矢量光场提供了新的方法和途径。本项目独立发展了一套全矢量的Crank-Nicolson分步差分数值计算方法，解决了复杂结构矢量光场在PT对称介质材料的线性和非线性光动力学矢量效应的数值计算问题。根据复杂结构矢量光场的矢量调控机理，设计制作了正交偏振态双光束弧线传输的微型发射器和Airy转化光学系统；研究了散射介质中偏振光主动成像探测的机理以及结合深度学习和偏振去雾成像理论模型的建模方法，研发设计多输入通道的偏振残差密集网络模型，实现去雾成像的图像对比度和图像细节增强技术指标的大幅提高。首次实验产生了新型扭曲矢量光场，从理论和实验上分析了新型扭曲矢量光场的偏振态、光学角动量以及光场的演化，提出并实验论证了利用新型扭曲相位同时检测扭曲矢量涡旋光场中的两个正交偏振分量涡旋拓扑荷数。