矢量光束的生成、检测及其在光学微操纵中的应用研究

近几年，矢量光束由于其独特的性质和可预见的应用前景，逐渐受到学术界的关注，对矢量光束的研究有重要的科学价值和应用意义。当前国内外学者大多将研究重点放在矢量光束的应用上，而对其测量研究甚少。在这个问题上，我们课题组的研究工作取得了一些进展，从矢量光束的生成、测量和应用三方面都进行了一些探索。不但提出了一种产生空间变化偏振态分布的矢量光束的实验方法，而且首次提出了测量空间变化偏振分布的矢量光束的斯托克斯参量和偏振度，矢量光束偏振度的二维测量方法是本项目的创新之一。本项目将在完善矢量光束产生的同时，研究矢量光束的性质、焦斑的漂移、传播规律以及焦场的测量；在研究矢量光束焦场特性的基础上研究矢量光束在微结构中的传输特性及在微操纵中的应用。基于现有的研究基础,我们有信心做出具有国际影响的研究成果。

由纯激光模式经过附加的空间偏振调制光学元件生成的矢量光束由于其独特的性质和潜在的应用价值在许多研究领域受到人们的关注。矢量光束在横截面上的偏振或相位分布是不均匀的，这导致了它在理论描述、传输及与物质相互作用等方面具有全新的特性。.在过去三年里，我们在矢量光束的性质和产生方面做了很多工作。首先，我们基于Richards-Wolf的衍射模型研究了不同结构矢量光束的强聚焦特性，目的是为了构造特殊结构光束的产生，为矢量光束在微操纵中的应用研究奠定基础。主要内容有：（1）提出了调节双环混合偏振矢量光束的偏振态能实现光学囚笼的实时操纵，发现引起光束偏振态发生改变的相位延迟角度能操纵光学囚笼的开和关。（2）分析了同轴三环混合偏振矢量光束的强聚焦特性。该光束的偏振态可用两个参量改变，发现选取适当的参量能产生沿光轴方向的三维多点光俘获结构的暗光链。（3）研究了径向偏振涡旋光束在振幅和相位调制下的4pi聚焦特性。结果显示调节拓扑核和延迟角,可以获得光链、光球和暗通道等特殊的光强分布。（4）研究了贝塞尔高斯径向偏振光束在衍射光学元件调制下的强聚焦特性，发现在焦平面上有多光球的产生。其次，我们研究了矢量光束传输过程中的一种新的物理现象——光束的焦斑漂移。证实了空间变化偏振态分布的高阶矢量光束聚焦后焦斑移位的存在性，并分析了光束的偏振状态、模阶次以及光束宽度等因素对于焦斑移位大小的影响。然后，基于发表的涡旋光束存在的问题，对柱矢量涡旋光束的强聚焦特性进行了修正研究，得到了修正后的强聚焦公式，提出了构造平顶光束和暗通道的新方法。并研究了不同拓扑核的圆偏振涡旋光束的强聚焦特性，提出了两束不同的自旋手性的涡旋光束的叠加聚焦能实现平顶光束。此外，研究了全光控制产生任意的矢量光束，通过空间光调制器能调制光的位相、振幅、偏振旋转和椭偏度四个参量产生任意的矢量光束结构，这打破了原来调制一个或两个参量产生矢量光束的局限性。最后，开展矢量光束对微观粒子的光学捕获的特性和应用研究。研究复杂形状和复杂结构粒子在矢量光束中所受辐射力和力矩模型，研究相互作用中的动量传递。.本项目的研究为矢量光束在微操纵领域的应用研究提供了依据，同时为产生任意矢量光束提供了新的实验平台。丰富和加深了人们对矢量光束传输性质的认识，有助于发现矢量光束与物质相互作用产生的新的物理规律，这些为矢量光束的应用研究领域提供了一些可借鉴的科研素材。

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