多参量调控的矢量光场及其新效应的研究

Polarization, phase and amplitude are parameters characterizing attribute of light field. Recent reserches have confirmed that polarization state plays a key role in propagation of field as well as its interaction with matter. Vector fields associated with polarization distribution are attracting much interests due to their potential unique features and novel applications. This project will make approcah to property and generation of vector field with multiple space-variant parameters such as polarization, phase and amplitude and explore the novel physical phenomena arising from multi-parameter-modulated vector beams and their applications in optical manipulation. We plan to investigate parameter-adjustable vector field in the scopes of focusing property, physical effects as well as application in optical micromanipulation. The study focuses on the following issues:looking for the novel method and experimetal configuration to create the vector field with space-variant polarization, phase and amplitude; exploring the way to shape and tailor the focal volume through modulation of mutilple parameters including polarization, phase and amplitude; investigating the optical phenomena associated with parameter-controllable vector field in physical processes such as refraction and reflection at interface, scaterring by particles, diffraction through objects, and interaction with artificial microstructures; developing new analysis and numerical algorithm for evaluating the propagation of vertor field; making efforts on analyzing the spatial-temporal evolution of vector beam as well as its focal field, and on measuring the distribution of multiple parameters of the vector field.

偏振、相位和振幅是反映光场基本属性的参量，其中偏振在光场演化以及与物质相互作用过程的关键作用被近年来的研究表明所证实，与偏振相关联的矢量光场所蕴含的丰富物理性质和新颖效应日益受到人们的关注。本项目探讨偏振、相位和振幅等多参量共同受控的矢量光场的性质和和效应，研究多参量调控的新型矢量光场的生成方法、传播特性、光学现象以及在光学微操纵中的应用。研究内容包括：研究偏振、相位和振幅的空间分布可调的矢量光场的制备方案和实验系统；研究通过对矢量光场的偏振、相位和振幅的调控获取特定形态的焦场的方法、快速焦场设计算法及其实验系统；研究参量受控的矢量光场在界面上折射和反射、被障碍物衍射、被微粒散射以及和人工微结构相互作用等过程中的新现象；发展新的分析理论和计算方法以及测试技术，表征和测定矢量光场及其焦场的时空演化和结构特性.

偏振、相位和振幅是反映光场基本属性的参量，其中偏振在光场演化以及与物质相互作用过程的关键作用被近年来的研究表明所证实，与偏振相关联的矢量光场所蕴含的丰富物理性质和新颖效应日益受到人们的关注。本课题针对偏振、相位和振幅等多参量分布的新型矢量光场，研究了光场多个参量的空域调控的实现方法，探讨了这类光场的表征、传播特性、物理新效应以及在光学微操纵中的应用，取得了多项有创新性的研究成果，主要成果主要包括：（1）提出了实现具有空域变化的振幅、偏振和相位的矢量光场的两种新的实验方法，实验生成出振幅、偏振和相位的独立动态调控的矢量光束；（2）提出了利用入射光的偏振、相位和振幅等多参量的控制，实现聚焦场参量的空域整形，可对焦场的空间结构进行优化设计；（3）研究了光场的轨道－自旋相互作用的新效应，发现可通过涡旋相位实现焦场中自旋角动量流的分裂；（4）发展了三维的Gerchberg-Saxton迭代算法，应用于三维焦场的优化设计，实现了微粒的三维光学微操纵；（5）提出一种新方法，实现目标焦场的逆向设计，可以快速算出目标焦场所对应的入射场的，为焦场的快速设计及其应用开辟了新的途径；（6）提出将矢量涡旋滤波用于图像边缘增强的新方案，利用S-波片矢量涡旋特性，实现了图像的方向可选、消色差的边缘增强；（7）研究了具有特殊结构的矢量涡旋光场的传播行为和光物理效应，发现矢量涡旋的拓扑性质使得其场在传输中具有一定的稳定性；（8）研究了实现光场的亚波长聚焦的新方法，分别提出了表面等离激元透镜和负折射圆栅透镜的聚焦方案；（9）提出了基于空间光调制器的横向剪切干涉技术和波前重建方法，实现光场相位的高精度检测。

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