结构光场在微纳结构材料中的线性和非线性光动力学研究

The interaction between structured optical field, with the modulation of a spatial phase and arbitrary spatial states of polarization (SoP) distribution in the field cross-section, and subwavelength microstructures has attracted a lot of attentions and interest. This project mainly aims for the metasurface material, and investigates the linear and nonlinear dynamics of interaction of the structured optical field and a subwavelength metal or metal-free microstructure material by the full-vectorial model. So as to construct the theoretical basis of vectorial modulation for the surface plasmon polaritons (SPPs) in the subwavelength metal microstructures, and derive the theory for the management of nonlinear optical effects in the subwavelength metal microstructures. This project will focus on the following studies: construct the full-vectorial model for the excition of SPPs in subwavelength metal microstructures with a structured optical field; explore the best way for efficiently increasing the nonlinear optical effects by SPPs and the vectorial manipulation; in particular, the novel effects, phenomena and applications resulted from the longitudical component of a structured optical field and its manipulation are considered carefully in this project. The manipulation of near-field and transmitted far-field distribution with interaction between a structured optical field and a metal or metal-free microstructure material is explored by the theoretical calculation and experimental measurement. This project will provide the useful theoretical basis and instructions for designing both metal and metal-free nano/micro-structural material.

具有空间相位调制和任意偏振态分布的结构光场与亚波长微纳结构材料的相互作用，已经引起了国内外学者的广泛关注和极大的兴趣。本项目以不同形貌特征的超表面（metasurface）材料为主要研究对象，采用全矢量分析方法研究结构光场与亚波长金属以及非金属微纳结构材料相互作用的线性和非线性光动力学特征；以期建立矢量调控亚波长金属微纳结构表面等离激元的理论基础，获得调控非线性亚波长金属微纳结构材料非线性光学效应的理论依据。本项目主要集中研究：建立结构光场激发亚波长金属微纳结构材料表面等离激元的全矢量物理模型，探讨利用表面等离激元有效增强非线性效应的最佳途径以及矢量调控；特别关注结构光场纵向分量导致的新效应、新现象、新应用。通过理论计算和实验验证，研究结构光场与亚波长金属以及非金属微纳结构材料的相互作用，调控近场和远场透射光场的分布。发展非线性亚波长金属与非金属微纳结构材料的设计理论。

携带不同信息的光子与介质相互作用的不同光学效应对许多应用来说是至关重要。如何实现对光场的振幅、位相和偏振态等多维度的操控，并研究其在不同领域的应用，一直是光学领域长久的课题。人为构造产生的具有复杂空间结构和新颖特性的结构光场，获得具有特定多维度（偏振、位相、频率、振幅、脉宽及模场）时空结构的新型结构光场，研究其在不同介质材料的演化和动力学特性，特别是偏振态的演化和转化的调控，是现代光学一个重要的研究课题，对光电信息、高端制造等前沿产业领域产生了巨大的影响和推进作用。本项目从麦克斯韦方程组出发，采取不同的数学手段给出了复杂结构光场在不同传输区域的3维矢量结构特征，剖析结构光场的内部矢量结构和传输特性，提升对光束的深层次认识，实现对光束的进一步操纵。首次论证并实验产生了具有caustic位相调制、任意混合偏振态分布的复杂结构光场，观察并论证了该光场在自由空间的曲线传输、自修复、双焦点的出现及其动态调控、线偏振和圆偏振相互转化、自旋-涡旋角动量转化等现象。理论上揭示了一些具有独特特性的复杂结构光场在线性和非线性介质的传输动力学特征，以及非线性崩塌动力学的特征，获得了比较全面和系统的结构光场矢量调控技术理论基础。设计了相应的光学系统和光学微纳结构材料，在相应领域的应用。