基于空间光调制器的新型光束产生及其传输特性的研究

Generation of new types of optical fields with particular spatial distribution based on the modulation of the amplitude, phase, polarization state and coherent structure has become an advanced research hotspot in the area of optical field modulation, propagation and application. On the basis of two newly introduced and generated beams called completely coherent sine-azimuthal phase modulated beam and completely coherent power-exponent-phase vortex beam by our group, we will carry out the generation of new types of beams and study their propagation properties in this project. The mian contents of the project include: the introduction and generation of new types of beams including the partially coherent sine-azimuthal phase modulated beam, the partially coherent power-exponent-phase vortex modulated beam, the fractional topological charge modulated flat-topped beam, etc; the study on the propagation properties of these new-type beams through deterministic optical systems or random media, the effect of the sine-azimuthal phase factor, power-exponent-phase factor, fractional topological charge, partial coherence, and turbulent media on the statistical optical properties of the propagated field, the evolution law of the propagation characteristics including the optical intensity, the degree of coherence, the degree of polarization, the orbital angular momentum, etc; the advantages of some of these new-type beams in the area of optical micromanipulation. The project will develop the theories of statistical optics and singular optics, on the other hand, it will promote developments in applications on optical communications, laser machining, particles manipulating, biomedicine, etc.

通过调控振幅、相位、偏振态及相干结构等来实现具有特殊空间分布的新型光场，已是当前光场调控、传输及其应用专题的主要研究热点。本项目拟在本课题组近期提出和实现的完全相干正弦角相位调控的新型光束和完全相干幂指数涡旋调控的新型光束的基础上，全面开展基于空间光调制器的新型光束产生及其传输特性的研究。主要研究内容包括：提出和产生部分相干正弦角相位调控的光束、部分相干幂指数涡旋调控的光束、分数拓扑荷调控的平顶光束等新型光束，研究这些新型光束在确定性光学系统或随机介质中的传输特性，突出正弦相位因子、幂指数因子、分数拓扑荷、部分相干性、湍流介质等参数对传输光场统计光学特性的影响，揭示光强、相干度、偏振度、轨道角动量等传输特性的演化规律，探讨部分新型光束在光学微操控方面的优势。该项目研究，一方面是发展统计光学和奇点光学理论，另一方面是将创新成果直接推动光通讯、激光加工、微粒操控、生物医学等应用领域的发展。

基于空间光调制器产生新型光束及其传输特性的研究是一个备受国内外学者关注的前沿性基础学术课题。该项目主要研究内容包括：1、开展了有关系列扭曲光束及其传输特性研究：提出了一种不同于传统扭曲效应的新型扭曲相干光束、研究了涡旋光束在加载了μxy 相位后光场的传输特性并用于其拓扑荷数的测量、提出了一类广义的部分相干光束、提出并实验证实了一种逆向旋转光束、研究了一类sinc关联扭曲光束、研究了一类新的部分相干非对称阵列光束等。2、开展了新型艾里光束及其传输特性研究：研究了一类部分相干艾里光束的干涉效应、实现了一种可控制加速轨迹的部分相干准艾里光束、研究了一种部分相干多类艾里光束等。3、开展了新型皮尔斯光束及其传输特性研究：研究了一种部分相干皮尔斯高斯光束的传播动力学、提出和证实了一种广义环皮尔斯光束、提出了利用广义环皮尔斯相位测量涡旋光束拓扑荷的有效方法。4、开展了新型幂指数次方涡旋光束及其传输特性研究：提出并实验研究了一种新型结构的幂指数次方涡旋光束以及广义部分相干幂指数次方涡旋光束。5、开展了新型光束用于光镊及相关研究：基于费马螺旋的轨道角动量几何光学变换对涡旋光束的拓扑荷数进行整数及分数的乘除法运算、提出了一种部分相干光源可在远场产生稳定的空心阵列光晶格、提出了一类旋转各向异性广义多高斯谢尔模光束并用于光镊、引入了部分相干扭转涡旋厄密-高斯-谢尔模型光束并用于光镊、实验研究了部分相干涡旋光束在大气湍流中的传输特性等。总体上，共发表国际性学术论文共38篇，其中1篇《Photon. Res.》、6篇《Opt. Lett.》、11篇《Opt. Express》、2篇《Phys. Rev. A》、6篇《Annalen der Physik》。所取得的以上研究成果，有助于加强对一些新型光束传输变换特性的认识，有助于丰富和发展统计光学理论，并可大大推动其在光通信、遥感、检测等应用领域的发展。