非傍轴自弯曲无衍射光束的基本特性及应用

Recently, Airy beams attracted substantial research interest all over the world due to their unique self-bending (transversely accelerating) features in addition to the nondiffracting and self-healing properties. Nonparaxial self-bending beams developed in 2012 break the paraxial limit of Airy beams, promising varieties of potential applications. Our proposed studies include both theoretical and experimental investigations on the generation, control, as well as applications of nonparaxial self-bending beams. By solving the Maxwell's equations and catastrophe theory, different nonparaxial self-bending beams will be designed. With high numerical aperture lenses, the designed nonparaxial beams are generated by employing the computer generated holography via a spatial light modulator. In addtion to the studies on the nondiffracting, self-bending, and self-healing properties of the generated beams, more importantly, we explore the vector nature of the highly nonparaxial beams, which involves the nontrivial interaction between spin and orbital angular momentums. Towards practical applications, we develop an approach for dynamically controlling the beam trajectories and peak intensity positions by modulating the computer generated holograms and input beams in real time. At last, we explore the applications of nonparaxial accelerating beams in optical tweezers for manipulations of micro-particles and biological samples. Our results not only will deepen the understanding on the vector nature of the nonparaxial self-bending beams, but also will lead to various practical applications.

艾里光束因其具有无衍射、自弯曲（横向加速）以及自修复等特性而成为目前的国际研究热点。2012年提出的非傍轴自弯曲光束突破了艾里光束的傍轴限制，具有广阔的应用前景。本项目对非傍轴自弯曲光束的基本特性及其在光镊系统中的应用开展理论和实验研究。基于麦克斯韦方程组求解和突变理论来实现光束的设计，采用计算全息术、空间光调制器以及大数值孔径透镜在实验中构建非傍轴自弯曲光束。在对光束的无衍射、自弯曲以及自修复等特性进行研究的基础上，开展非傍轴自弯曲光束传播过程中光子自旋和轨道角动量间相互作用的研究。探索对非傍轴自弯曲光束的轨迹和峰值光强位置进行动态调节的方法，进一步搭建基于自弯曲光束的原理性激光光镊系统，实验实现对微粒和不同生物样品的光学操控。本项目取得的成果将加深人们对于非傍轴光束矢量光学特性的理解，并推动光束在实际中的应用。

自弯曲光束因其具有无衍射、自弯曲（横向加速）以及自修复等特性而成为目前的国际研究热点。本项目对非傍轴自弯曲光束的产生、调控、矢量特性以及在光镊系统中的应用开展了理论和实验研究。项目取得的成果将加深人们对于非傍轴光束光学特性的理解，并推动其在实际中的应用。具体研究内容和取得的成果包括：.1. 自弯曲光束的理论分析和数值模拟：建立了非傍轴自弯曲光束的突变理论，设计并实现了具有任意轨迹的非傍轴自弯曲无衍射光束。由于不需要求解复杂的麦克斯韦方程组，该研究结果在非傍轴自弯曲光束的实际应用中具有重要意义。.2. 不同轨迹、不同维度的大角度弯曲光束的实验实现：采用计算全息术、空间光调制器以及大数值孔径透镜在实验中产生了非傍轴自弯曲光束，并提出了通过控制掩模板对光束的传播轨迹和光强峰值位置动态调节的方法，具有很强的实用价值。.3. 自弯曲光束传输过程中的矢量光学特性：分析了涡旋相位对矢量环形自弯曲光束的控制规律，实现了光束偏振态及轨道角动量的自动突变；对线偏振光束进行非均匀偏振调制，通过将纵向和横向自旋分离结合，实现了自旋态在三维空间的可控分离。该结果不仅为角动量的产生及控制提供了新的思路，也为光学操控提供了新手段。.4. 基于非傍轴自弯曲光束的光镊系统：将自弯曲光束引入到传统光镊系统实验实现了对微粒的沿弯曲路径的光学操控。采用轴平面显微技术实现了对微粒沿轴向弯曲轨迹的运动的观测。该结果在生物医学、材料以及超分辨成像技术方面具有很大的应用前景。.5. 采用光学周期结构和非线性对自弯曲光束实现了轨迹和光强调控：研究了光子晶格中一维和二维自弯曲光束的布洛赫振荡以及齐纳隧穿效应，探讨了局域和非局域非线性对自弯曲光束传输的影响，相关研究结果为采用周期微结构和非线性对自弯曲光束的调控和光与物质相互作用的增强等方面具有潜在的应用。