亚波长周期结构中奇点光束的产生、表征和调控

Recently, singular beams accompanying with different kinds of singularities give rise to a wide range of novel optical phenomena and applications due to their complex phase and polarization distributions, which have become an interesting research topic. The main purpose of this project is to study singular beams in subwavelength-scale periodic structures, and discuss the generation and control of light field with complex phase and polarization structures by the modulation of subwavelength periodic structures, which could indicate several new breakthroughs on the theories and technologies about singular beams. To achieve these, following major studies will be carried out: (1) Generation and experimental characterization of singular beams in planar photonic crystals and slab microcavities; (2) Nonlinear control and new applications of singular beams in planar photonic crystals; (3) Generation, evolution and regulation mechanism of singular beams in multi-core photonic crystal fibers. The key scientific problems to be solved are: shaping of the phase or polarization states of the light field in planar photonic crystals; experimental methods for observing the far field of micron-scale mode in planar photonic crystals; control of the phase, polarization states and mode-selection of the light field in multi-core photonic crystal fibers. The results obtained from above studies can not only help to reveal new optical phenomena of singular beams, but also achieve the fabrications of new devices, such as photonic crystal micro-lasers emitting singular beams, and photonic crystal fibers with new designs to maintain the phase and polarization characters. The new geometry of singular beams in subwavelength-scale periodic structures opens a route for new researches and applications of singular beams.

近年来，携带无法定义奇异点的奇点光束因其特殊的相位或偏振特性引起一系列新颖的光学效应和应用，成为国际研究热点。本项目旨在将奇点光束的研究引入到亚波长尺度的光学周期结构中，探讨亚波长级周期性调制对复杂相位和偏振态结构光场产生的影响和调控规律，并在相关理论和方法上取得系列原创性突破。拟开展的主要研究有：①平板光子晶体及微腔中奇点光束的产生与实验表征方法；②平板光子晶体中奇点光束的非线性调控及新应用；③多芯光子晶体光纤中奇点光束的产生、演化和调控机理。拟解决的关键科学问题是：平板光子晶体中光场相位或偏振态结构的整形，微米尺度光子晶体模场的远场实验观测方法，多芯光子晶体光纤中光场相位和偏振态的控制及模式选择。研究成果不仅有助于揭示奇点光束的系列新颖光学行为，还可以形成输出奇点光束的光子晶体微激光器、保持光束偏振和相位特性的光子晶体光纤等新型器件，为奇点光束的研究和新应用提供有效的理论和实验基础。

光束中奇异点的存在导致了一些新的物理效应和现象，虽然国内外对奇点光束的研究已取得许多进展，但主要集中在连续介质中。实际上，光学领域的发展见证了亚波长周期性结构在光束调控上表现出的巨大优势。本项目围绕亚波长周期结构中奇点光束的产生、表征和调控展开研究，取得的主要进展如下：.（1）亚波长周期结构中奇点光束的产生与调控：提出利用平板光子晶体微腔产生具有高Q值矢量光场的新方法；提出并设计了一种低损耗传输奇点光束的多芯光子晶体光纤；提出并实现了光诱导光子晶格中，奇点光束的可控传输。.（2）自由空间中奇点光束的产生及调控：提出利用指数螺旋相位调控高阶涡旋光束拓扑结构的方法，实验研究了该光束的螺旋聚焦特性；基于角衍射理论和柱矢量光束的模式叠加特性，提出并实验验证了一种半定量的柱矢量涡旋光束调控理论，揭示了扇形破缺矢量涡旋光束产生光自旋霍尔效应的机制；采用校正的空间光调制器实现了任意矢量光束的高效产生。.（3）基于奇点光束的微结构光谱调控：理论揭示了由奇点光束激发的谐振腔的法诺谐振现象；理论和实验研究了单根悬空碳纳米管在涡旋光场作激发下拉曼光谱响应；设计了一种等离激元法诺结构，研究显示由矢量光场所诱导的局域场增强效应；理论和实验研究了涡旋相位控制的飞秒矢量光场诱导微结构形貌转变规律。.（4）新型奇点光束的产生、聚焦及调控：提出并实验产生了完美矢量涡旋光束；研究了多偏振奇点局域线偏振矢量光束的紧聚焦特性，分析了各独立参量对焦场分布的影响；提出了一种基于调控光场空间频谱特性产生偏振态沿纵向变化光场的方法。.（5）基于纳米材料的新型器件及光场调控：利用纳米材料实现了几种新型锁模激光器；研究并揭示了石墨烯辅助金属纳米波导表面等离激元的传输调控规律，基于黑磷对的强表面等离激元局域性和光学力以及基于多层薄膜结构的二硫化钼近完美吸收特性。 .（6）基于微结构的功能器件：提出了一种石墨烯-等离激元法诺结构，实现了二次谐波的电调控特性；提出一种石墨烯辅助的光控光纤相移器，实验实现了超过20π的相位移动，以及超过20 dB的全光开关；提出了一种利用微球腔和光纤马赫-曾德干涉仪光路相耦合实现非对称Fano共振线型的方法；提出并实验实现了一种高性能的光子晶体微腔传感器。.项目所实现的结果不仅可以揭示奇点光束的系列新颖光学行为，还可以形成许多新型功能器件，为奇点光束的研究和新应用提供有效的理论和实验基础.