时空调控光场的产生及与金属纳米结构的相互作用

In recent years, the spatial modulation on amplitude, phase and polarization of light fields has caused a series of spatially structured fields with novel properties, and the manipulation of light fields in time domain has produced ultrashort laser, optical frequency comb and other special time-domain fields. These two aspects of research greatly promote the development of laser technology. Based on the combination of the spatially structured fields and ultrafast laser technology, this project proposes to comprehensively study the generation of light fields modulated in time and space domains, with the aid of optical geometric phase modulation technology and spin-orbital angular momentum coupling, as well as various nonlinear effects and mode coupling in optical fiber. Then explores the interaction of these novel fields and metal nanostructures, by utilizing the local field enhancement and polarization selective absorption features of metal nanostructures. The main contents in this project include: 1. Spatial modulation of light fields by use of geometric phase; 2. Generation mechanisms and methods of time-space modulated light fields; 3. Interactions between time-space modulated light fields and metal nanostructures. The research progresses would explore the united modulation technologies in time and space domains, and realize the combined advantages for ultrafast optical technologies and spatially structured light fields. It helps to further reveal the electromagnetic natures of light and enrich the modern optical theory. It would also provide new theory supports and effective technical means for many applications, such as the extra-high speed communication, optical micro-manipulation, super-resolution imaging, micro-maching and material processing and etc.

近年来，基于光场振幅、相位和偏振态的空域调控产生了一系列具有新颖特性的空间结构光场，而基于光场的时域调控则产生了超快激光、光频梳等特殊时域光场，两方面研究极大地促进了激光技术的发展。本项目拟将空间结构光场和超快光学技术相结合，借助光学几何相位调控技术及光场的自旋-轨道角动量耦合作用，并结合光纤中丰富的模式耦合行为和非线性效应，实现新型时空调控光场的产生，并利用金属纳米结构的局域场增强和偏振选择吸收等特性，探索这些新型光场与金属纳米结构的相互作用。主要研究内容为：①基于几何相位的光场空域调控；②时空调控光场的产生机理及方法；③时空调控光场与金属纳米结构的相互作用。研究进展将丰富光场的时、空域联合调控技术，实现超快光场和空间结构光场的优势互补，进一步揭示光的电磁本性，拓展现代光学理论，为超高速光通信、光学微操纵、超分辨成像、微加工及材料处理等应用领域提供新的理论支持和有效技术手段。

基于光场振幅、相位和偏振态的空域调控产生的空间结构光场，以及基于光场时域调控产生的超快激光、光频梳等特殊时域光场，极大地促进了激光技术的发展，拓展了激光技术的应用领域。将光场的空域调控和时域调控相结合，形成的时空调控光场，具有更多优异的性质，不仅在基础研究中具有深远的科学意义，而且在信息技术、材料加工、生物医学工程等领域存在着重大的应用前景。其与物质的相互作用必将导致新效应、新现象、新机理的产生，进而推动新技术和新应用的发展。. 本项目完成的研究内容包括：1）揭示了几何相位与光场偏振态变化的内在关联，建立了几何相位调控光场偏振态可控转换的理论模型，发展了基于液晶波片、超表面等几何相位元件的光场偏振态纵向调控、多维度调控及测量的新方法，提出了多种具有线性、非线性自旋光效应的新型标量和矢量无衍射光场。2）提出了多波长同步锁模、双折射管理等超短脉冲调控新方法，建立了少模光纤内基模、次高阶模间的耦合和转化模型，发展了声致少模光纤光栅、单模-双模拉锥光纤等结构内的模式耦合和叠加新技术，实现了涡旋、矢量光场等空间本征模式的激发，研发了多种可输出涡旋、矢量超短脉冲的光纤激光系统。3）建立了描述空间结构光场与金属纳米结构相互耦合的全矢量理论模型，揭示了基于时空调控光场相干控制的金属纳米结构非线性响应规律，实现了等离激元模式类型的选择性激发和局域场的可控分布，发展了调控等离激元法诺光谱线型和增强拉曼效应的新方法。. 在三维空间和时域同时控制光场多个参量的结构，对光学信息处理、显微成像、光操控、材料加工等应用具有重要价值。所揭示的光场空域调控方法，不仅实现了厘米级的大尺度光学偏振光栅、全息超表面的加工制造，在全息数据存储和光显示等方面展现巨大的应用潜力。所发展的脉冲调控及锁模激光，拓展了孤子锁模的基本理论，为差频产生太赫兹波及非线性拉曼光谱测量提供了所需的特种脉冲源。