特殊结构光场的构建及光力效应研究

In this project, focusing on the topic of the generation and light force effect of a specially structured light field, a newly proposed fractal conical lens (FCL) and a devil’s lens (DL) will, respectively, be introduced into the tight focusing optical system to generate the targeted specially structured light field. Then, based on the generalized vector Debye integral, strong focusing characteristics of the targeted light field, mainly including the evolution of intensity distribution and phase distribution, and the degree of coherence and degree of polarization during the focusing process, are to be investigated in detail; moreover, spin-to-orbital angular momentum conversion and evolution will also be analyzed; In addition, the focused targeted light field's optical force and torque on a micro-sized dielectric particle will be examined in depth. This project might find applications in further utilization of a FCL and DL, and exploiting a new-type optical micro-manipulation system.

本项目围绕特殊结构光场的构建及其光力效应这一主题，拟将新近提出的分型锥透镜(fractal conical lens)和魔鬼镜(devil's lens)等相位型衍射光学元件引入到光场的深聚焦系统，构建特殊结构的光场。运用矢量Debye积分研究结构光场的深聚焦特性，重点探讨结构光场在深聚焦过程的光强分布、相位分布、相干度，及偏振态等特性的演化；讨论结构光场的自旋角动量(spin angular momentum)与轨道角动量(orbital angular momentum)的转换及演化；进而研究聚焦结构光场对微粒的光场辐射力(含辐射力矩)，给出光场辐射力与聚焦系统各参量的关系。该项研究有望在进一步开发利用分型锥透镜、魔鬼镜，以及构建新型光学微操控系统方面获得应用。

本项目围绕“特殊结构光场的构建及光力效应”这个主题，主要开展了以下几方面研究：1)将分型锥透镜（FCL,一种纯位相型光学元件）引入到光场紧聚焦系统用于调控圆偏振径向偏振光涡旋的紧聚焦特性，对比研究了在有和无FCL情形下紧聚焦光涡旋的光场强度和角动量的演化特性，结果发现FCL对光涡旋的光场强度和角动量的演化具有明显的调制效果。FCL可望在光涡旋整形和开发新型涡旋光镊系统方面获得应用。2)研究了可控空心光束（CDHB）的紧聚焦和紧聚焦CDHB对瑞利粒子的辐射力。鉴于紧聚焦条件下在焦点附近将形成一个尖锐且结构可调的中峰结构，紧聚焦CDHB可用于捕捉和操控高折射率微粒。进一步研究发现，通过对CDHB的阶次和空心控制参量等参量进行调节，可对CDHB光镊的捕捉效率、光阱的陡峭程度，以及捕捉范围进行有效的调控，从而得到符合特定需求的光镊。3)研究了空心双曲正弦高斯光束（HsGB）的传输特性以及其对瑞利粒子的光场辐射力，发现紧聚焦条件下目标光场在焦点区域将形成一个异常尖锐、中峰且结构可调的强度分布，因而紧聚焦HsGB光场可在焦点附近区域捕捉和操控高折射率的纳米尺度微粒。有趣的是，在相同功率的条件下，相较于传统的基模高斯光束，紧聚焦HsGB可形成更为尖锐的强度峰。通过优化光场参数可形成更优越的捕捉和操控微粒的势阱。该研究对开发新型HsGB光镊，优化HsGB光镊参量具有意义。4)将散射光源拓展到径向偏振光和多色部分相干径向偏振光场（一种矢量光场）,研究部分相干径向偏振光场和多色部分相干径向偏振光场经确定性介质的远场散射。5)研究了多色径向偏振光束和电磁随机光束经半软边媒质的远场散射，发现多个谱开关现象；平面光波经由半硬边介质和多高斯分布介质这两种叠加型介质的弱散射。6)提出了基于正弦空心光束(SDHB)的光学艾里变换而产生一种新颖艾里相关光束的方法。总之，该项研究构建了几种特殊结构的光场，研究了几种新型光镊的捕捉特性。另外，在光波散射和新型艾里光束的产生方面做了有益探索。研究结果在光场调控、光学微操控，以及光波经各种介质散射方面获得应用。