飞秒矢量光场的超衍射极限微结构制备及特性研究

The novel polarization property of vector optical field can result in the far-field beyond-diffraction-limit spot under tight focusing condition, therefore it has huge potential applications in micro-& nano-fabrications. It is well know that effective optical manipulation can be realized by the novelty optical properties resulted from the interaction between the the optical filed and artificial microstructure materials. Hence the successful fabrication of the sub-wavelength microstructures provides an important approach for optical manipulations. In this project, we mainly focus on the micro- & nano-fabricaitons based on femtosecond vector optical fields and then their applications in optical manipulations, revealing the underlying novel effects, phenomena and exploring their novel physics mechanisms. To fulfil these tasks, we will carry out micro & nano-fabricaitons by means of the beyond-diffraction-limit focusing of femtosecond vector optical field, and realize controllable patterns of the fabricated micro-& nanostructures. Based on the fabricated micro- & nanostructures, we will theoretically and experimentally study how they interact with vector beams. The purpose is to establish a theoretical description for the interactions within the subwavelength scale, and to clarify the electromagnetics properties related to the non-paraxial approximation, and to study the novel properties of the orbital momentum, angular momentum and the longitudinal field etc, conseqently to explore the novel physics mechanisms underlying them. The work to be done herein is of great importance and significance because it will expand the applications of femtosecond vector optical field to micro- & nanofabrication and optical field manipulation.

矢量光场新颖的偏振特性在紧聚焦条件下能导致远场超衍射极限聚焦光斑，从而在超衍射极限微纳加工领域有着巨大的应用潜力。众所周知，光与人工微结构材料相互作用导致的新奇光学性能可实现光的有效调控。因此具有亚波长特征的微纳结构的成功制备，将对光场调控研究提供一条重要途径。本项目围绕飞秒矢量光场微纳加工及制作的微纳结构与光场相互作用展开，研究其中的新效应、新现象并探索其物理机理。充分利用矢量光场的超衍射极限聚焦特性进行微纳加工，通过调控飞秒矢量光场的空间偏振分布实现微纳结构的图案可控；基于制作的微纳结构，开展矢量光场与其相互作用的理论和实验研究，建立亚波长尺度下矢量光场与微纳结构相互作用的理论描述，阐明其中与非傍轴近似相关的电磁学特性，研究轨道角动量、自旋角动量及纵向场等新颖特性，探索矢量光场与微结构相互作用中的新物理机制；开拓飞秒矢量光场在微纳加工及光场调控中的新应用,具有重要的研究意义和应用价值。

矢量光场新颖的偏振特性在紧聚焦条件下能导致远场超衍射极限聚焦光斑，从而在超衍射极限微纳加工领域有着巨大的应用潜力。本项目围绕飞秒矢量光场微纳加工及制作的微纳结构与光场相互作用展开，研究其中的新效应、新现象并探索其物理机理。在执行过程中，主要研究了空间结构光场的基本物理和时空演化特性，利用基本的衍射理论对矢量光场在干涉、衍射和聚焦等物理过程中的基本规律进行了深入的研究，探索了矢量光场在聚焦场（频率域）的破缺对强度和角动量等性质的影响，发展了基于庞家莱球的矢量光场理论描述方法；基于4f系统探索了各种新型矢量光场的生成和调控方法，获得了飞秒和连续激光的矢量光场及非柱对称的椭圆对称、空间均匀椭圆偏振矢量光场，并研究了其焦场特性；基于飞秒矢量光场探索了其飞秒成丝特性，发现基于偏振调控的杂化矢量光场可以实现稳定的可控成丝。基于阵列矢量光场，建立了其紧聚焦的理论模型并研究了焦场三维调控特征；基于矢量光场阵列设计并实现了不同的动态焦斑轨迹，基于它实现了对不同形状的复杂微纳结构的制作，加工的线宽超越衍射极限限制而达到半波长量级；最后基于矢量光场开展了信息的存储与读取研究。总之，通过该项目的实施，我们进一步完善空间结构光场的理论描述和实验系统，设计和生成了多种新型的空间结构光场；对飞秒矢量光场阵列的生成调控及紧聚焦进行了深入研究，提出了时变动态矢量光场微纳加工的思路，建立了基于飞秒矢量光场阵列的微纳加工实验平台，解决了一系列关键科学和技术问题，发表高水平论文14篇，培养研究生6名，申请专利3项，其中获批1项，参加学术会议8人次，其中特邀报告2次，2人次获最佳张贴报告。这些研究成果一方面为课题组下一步的研究奠定了良好的基础，另一方面也有力的推进了矢量光场的理论、飞秒矢量光场的应用及光场调控研究的进展，有力促进了相关应用基础研究的快速发展。