具有涡旋位相的部分相干矢量光束的产生、传输及应用基础研究

Coherence as a degree of freedom has become a novel light field-control method. The partially coherent beams have been attracted much attention due to its wide application in laser modulation, imaging and free-space optical communication. Partially coherent vector beam with vortex phase compared to the partially coherent beam has more unique advantages of the more important scientific significance and application value. In this project, we mainly plan to carry out the following research topics both theoretically and experimentally. We will establish the experimental setups for generating partially coherent vector beam with vortex phase, and carry out experimental measurement of its beam parameters and propagation properties. We will introduce a new experimental method to measure the topological charge of the partially coherent vortex beam. The propagation properties of the partially coherent vector beam with vortex phase through the multimode fiber and singlemode fiber are also studied. We will study the optical statistics of partially coherent vector beam with vortex phase propagation in turbulent atmosphere, and explore the possible way to reduce the negative influence of turbulence through choosing suitable initial beam parameters. We will study the optical statistics of partially coherent vector beam with vortex phase focused by a high numerical aperture object lens and the radiation forces of the focused field on micro-particles, and explore the way of improving the trapping efficiency, trapping range and trapping stability by choosing the suitable initial parameters. We will develop the analytic theory, computed method and detected technology through this project. The supports of theory and technology will be provided for the application in different field about special partially coherent vector beam with vortex phase.

相干性作为自由度已成为一种新颖的光场调控方法，与相干性关联的部分相干光在新型光场调控、成像、大气光通讯等领域所表现的丰富物理性质和极具潜力的应用前景而被大量研究。而具有涡旋位相的部分相干矢量光束与其他光束相比具有更多独特的优点，更重要的应用价值。本项目理论结合实验重点研究以下内容：研究实验产生具有涡旋位相的部分相干矢量光束的方法并测量其各光学参数，研究其通过自由空间的传输特性,提出低相干性条件下测量矢量涡旋光束拓朴荷的新方法；研究该光束通过多模光纤的光场演化特性和单模光纤耦合效率；研究该光束的各光学参数对通过湍流大气后的光学统计特性演化的影响，探索通过调整光学参数降低湍流影响；研究该光束通过高数值孔径透镜的紧聚焦特性，通过对各光学参数进行调控以获取特定的焦场分布并计算其作用于微粒的辐射力，搭建光镊装置验证理论结果。预期本项目为具有涡旋位相的部分相干矢量光束在各领域的应用提供科学依据。

近年来具有涡旋位相的部分相干矢量光束由于其独特的相干、偏振、轨道角动量等特性受到广泛的关注。本项目主要开展具有涡旋位相的部分相干矢量光束的表征、位相调控及其经过介质的理论与实验研究，取得了一系列重要的原创性成果。提出了部分相干矢量光束新模型，揭示了其新颖特性，并且在实验上成功产生该光束，测量相应的光学参数。提出部分相干矢量光束的位相和轨道角动量的光场调控理论，实验产生具有涡旋位相的部分相干矢量光束，提出具有涡旋位相的部分相干矢量光束的光学参数的测量方法并在实验上予以验证。研究该光束通过自由空间的传输特性，提出在低相干性条件下测量部分相干矢量涡旋光束拓扑荷数的新方法，发现可以通过测量部分相干矢量涡旋光束的复相干度可以测得拓扑荷的信息；研究了部分相干矢量涡旋光束经过单轴晶体、光纤的传输特性和耦合效率，研究发现通过控制晶体和光纤可以对部分相干矢量涡旋光束的特性进行有效调控。研究了部分相干矢量涡旋光束经过大气湍流的传输机理和传输特性，研究结果表明可以通过控制光束初始位相能够有效降低湍流引起的光强闪烁，有望应用于大气激光通信。研究通过对具有涡旋位相的部分相干矢量光束的各光学参数进行调控以获取特定的焦场分布并计算其作用于微粒的辐射力，研究发现通过控制相干性特性可以实现光笼，有望用于微粒捕获和操控。本项目的研究成果促进了具有涡旋位相的部分相干矢量光束的发展，在大气激光通信、光束整形、相位恢复、光学捕获等领域都具有重要的应用前景。本项目发表学术论文24篇，其中SCI论文23篇，授权发明专利3项。