三维矢量光场的生成、调控、效应及应用的研究

Because of intriguing effects and potential applications, vector fields having space-variant distribution of parameters including intensity, phase, polarization and coherence have attracted much interest in recent years. However, most of efforts on vector fields to date have been made for two-dimensional cases. This project aims to create three-dimensional vector fields with controllable multi-parameter. We shall make approach to configuring the three-dimensional structure of vector field, study the propagation property of vector fields, and find novel effects of such fields. The scope of this project covers the following parts： (1) to find new scheme of high-efficiently generating vector fields with tailored structure and realize dynamic and independent manipulation for multiple parameters of fields; (2) to investigate the mechanical behavior induced by spin and orbital angular momentum flows and design the three-dimensional focus having special phase gradient, polarization gradient as well as prescribed distribution of orbital angular momentum flows; (3) to create the partially coherent vector field with special correlated structure and explore the propagation property of the partially coherent vector field; (4) to study the applicability of vector field to optical tweezers and investigate the interaction of vector field with micro-structured surface as well as the novel effects.

强度、相位、偏振态、相干性等参量具有特定空间结构的新型矢量光场由于其新颖效应和和应用价值受到广泛关注。目前已有的矢量光场研究绝大部分局限于矢量光场的二维结构调控，本项目重点围绕三维空间结构的矢量光场的调控展开，通过构建特殊空间结构的强度、相位、偏振等参量可调的矢量光场，探索新型矢量光场的传输特性，揭示三维空间结构可控的矢量光场的光物理新效应。主要研究内容包括：（1）研究具有特定空间结构的矢量光场的高效率生成原理和实验新方案，实现多个参量同时独立调控的具有特殊三维空间构型的矢量光场；（2）探索多参量受控矢量光场中的自旋光学流和轨道光学流的动力学效应，利用逆向设计思想设计具有特定相位梯度、偏振梯度以及角动量流密度分布的三维焦场；（3）研究三维关联特殊结构的部分相干电磁光场的产生方法、传播特性；（4）研究三维矢量光场在光学微操纵中的应用、与微结构表面的相互作用及其效应。

将光场的二维调控扩展到三维调控，不仅有助于发现结构光场的新物理效应，更重要的是能够拓展光场调控的应用领域。本项目开展的新型三维矢量光场的研究涉及三个层面：即特定结构三维光场的生成，新型三维光场的性质与效应，以及三维光场的应用探索。项目完成的研究成果包括：（1）提出了高效动态生成复杂结构矢量光场的新方法，产生效率提高了1个数量级；提出了适用于相位型空间光调制器的新的全息编码方法，可以动态生成任意分布的矢量光场。（2）针对三维光场时空演化的控制及其多模态结构光场的构建，建立和发展了多种技术路线，分别实现三类不同形态的三维光场设计和生成，即阵列化的三维焦场、连续曲线形三维焦场以及纵向可控的无衍射光场。利用空间调制器对入射光的调制，动态调控出射光场在三维空间的模态和结构。（3）利用光场与特定人工微纳结构的相互作用，设计出多种新颖的金属和介质超表面，通过光场与超表面的耦合共振以及传播相位和几何相位的控制，实现对光波的近场和远场调控。（4）发展了共光路干涉技术，建成光学自干涉实验系统，通过待测光场在测量平面上的自干涉图解析，实现对振幅、相位和相干性等多个光场参量的测量表征。. 本项目所取得的成果拓展了光场调控研究的深度和广度，丰富了三维光场的设计和构建方法，有助于新型光场多维度调控物理及应用研究的进一步深入。本项目全面完成了预定的研究计划，发表SCI论文33篇、中文综述1篇,申请发明专利和获得发明专利授权各1项。