部分相干轴对称偏振光束的传输特性及其应用研究

Axially symmetric polarized beams are vector beams with spatially variant polarization, whose polarization distributions at the plane of the beam cross section take on axial symmetry. Due to their unique optical properties, such beams have many important applications in modern optics. The theoretical model for the partially coherent axially symmetric polarized beams with arbitrary polarization propagating in free space and turbulent atmosphere will be established, and the propagation properties, nonparaxiality, vectorial structure, beam quality, polarization and spatial coherence properties will be investigated. The theoretical model for the arbitrary axially symmetric polarized beams in optical trapping will be presented, and the applications of these vector beams in optical trapping will be discussed. The research findings in this project will help to the applications of these vector beams in modern optics, and improve the development of laser theory and laser technology.

轴对称偏振光束是具有空间非均匀偏振分布的矢量光束，其偏振态在光束横截面上呈轴对称性。因其独特的光学特性，轴对称偏振光束在现代光学应用中展示出重要的应用价值。本项目将建立具有任意偏振分布的部分相干轴对称偏振光束在自由空间中和湍流大气中传输的理论模型，研究其传输特性、非傍轴性、光束质量、偏振特性和空间相干性。建立任意轴对称偏振光束在光学捕获中的理论模型，分析轴对称偏振光束在光学捕获中独特的应用价值。本项目所取得的研究成果将有助于指导该类型矢量光束在现代光学中的应用，促进激光理论和激光技术的发展。

偏振是光波的重要属性之一。基于光波的偏振分布，光可以分为空间均匀偏振光和空间非均匀偏振光。作为非均匀偏振光的一种特殊形式，轴对称偏振光束由于具有独特的偏振分布和聚焦特性，从而使它在电子加速、光学捕获、激光加工、光学显微镜、光学存储和光通信等领域展现出巨大的应用前景。.主要研究内容包括以下几个部分：.(1) 研究了任意偏振级次的轴对称偏振光束在自由空间中的非傍轴传输特性。结果表明，轴对称偏振光束在自由空间中的非傍轴传输特性与径向阶数、偏振阶数和束腰宽度等参数密切相关。高阶轴对称偏振光束比径向偏振光束更加容易受到非傍轴性的影响。该研究结果将有助于操控任意偏振级次的轴对称偏振光束。.(2) 研究了高阶庞加莱球上的任意矢量涡旋光束经圆孔衍射的远场矢量结构。分析了矢量涡旋光束的TE项、TM项和总的远场能流分布，包括轴对称偏振光束、圆偏振涡旋光束和椭圆偏振涡旋光束等特殊情况。结果表明，拓扑荷数、截断参数和椭圆率角对矢量涡旋光束的远场矢量结构具有重要的影响。该研究结果将有助于分析矢量涡旋光束在光学捕获中的应用价值。 .(3) 研究了部分相干轴对称偏振光束在湍流大气中的传输特性。分析了经圆孔衍射的部分相干轴对称偏振光束在湍流大气中的平均光强、偏振度和相干度。结果表明，圆孔衍射效应和大气湍流共同影响着部分相干轴对称偏振光束在湍流大气中的传输特性、偏振特性和相干性。该研究结果将有助于分析部分相干轴对称偏振光束在激光雷达、遥感和光通信等领域的应用价值。.(4) 研究了高阶庞加莱球上的任意矢量涡旋光束经圆孔衍射的非傍轴传输特性。结果表明，非傍轴性和圆孔衍射效应对矢量涡旋光束的非傍轴传输特性产生了重要影响。.(5) 研究了高阶庞加莱球上的任意矢量涡旋光束的产生方法。基于马赫-曾德尔干涉仪，实现了高阶庞加莱球上的任意矢量涡旋光束的变换。