任意凸加速光涡的传播动力学研究及其在微粒操控中的应用

The project is proposed to study the dynamcis propagation of the optical vortex that is superimposed in an arbitrary convext accelerating beams (CABs) both theoretically and experimentally. The law of evolution of the optical vortex in convex accelerating beams, such as the transverse velocity of the optical vortex,the trajectories of the optical vortex,the interference of the optical angular momentum (OAM) between the optical vortex and the CABs,will be sysmetic depicted. Meanwhile, the physical parameters of the CABs, i.e. the firing angle of the CABs, the order of the CABs etc., will be optimized to match the dark center of the optical vortex and the center of the major lobe of the CABs. Therefore, the optical vortex with accelerating property (named as convex accelerating optical vortex) will be achieved. The experimental configuration to generate the convex accelearting optical vortex (CAOVs) will be developed, which is compact, flexible and easy integrating. And the technique to measure the spectrum of OAM of the hybird beams will also developed to depict the interaction and transfer between the OAM of optical vortex and the local OAM of convext accelerating beams. At last the CAOVs will be applied to manipulate and trap the microparticles with various properties. The achievements of this project will further show the law of the propagation and interaction of the OAM. At the same time, this project will enrich and extend the applications and studying content of the transverse accelerating and convex accelerating beams and optical vortex.

本项目基于理论和实验方法系统研究叠加在任意凸加速光场中的光涡的传播动力学特征。系统阐述光涡在凸加速光场中的演变规律(如光涡的横向偏移速度、光涡的运行轨迹、光涡的角动量同凸加速光束局域角动量间的相互作用等）；优化凸加速光束的物理参数（如光束的出射角度，凸曲线的阶次等）使得光涡所形成的光强暗斑中心和凸加速光束的主瓣重合而实现具有横向加速特征的光涡（凸加速光涡）；研制一种可精确控制光涡位置的凸加速光涡实验生成技术，其光路系统具有紧凑、灵活、易于集成等优点；基于混合光束角动量谱的测量技术揭示凸加速光涡传播过程中光涡和凸加速光束局域角动量之间的相互作用和传递规律；利用凸加速光涡实现不同特性微粒的捕获和操控。通过本项目的研究，将更深入的揭示光学轨道角动量的传播、相互作用的规律；同时也将丰富和扩展横向加速及凸加速光场及光涡的研究内容和应用范围。

加速光束是目前特殊光束研究中的一个热点之一，其中以Airy光束为代表。由于其横向加速的特性，因此在光学微粒操控，光学路由等方面具有重要的应用前景。光涡也是特殊光束的一种，因其中空的光强分布而在光学微粒操控等方面有着广泛的应用。本项目基于两种光束的特点，将光涡和凸加速光束结合的任意凸加速光涡，并研究其在粒子操控方面的应用。主要研究了各种凸加速光束的生成，远场以及近轴传播特性。凸加速光束产生的光力特性，光涡和凸加速光束之间的相互耦合。基于凸加速光束角动量特性的分析。以及凸加速光束用于微粒操控方面的应用。.以菲涅尔衍射积分的方法，研究了二次曲线，四次曲线，六次曲线叠加光涡的近轴传播特性。理论分析表明，高次凸加速光束的传播特性随着阶次的增高，会出现散射或者是轨道偏离的情形，这主要因为高次凸加速光束不是严格的波动方程的解，而是利用稳相积分构造出来的光场分布，因此随着传播距离的增加光束的传播会出现偏离设计轨道的情形，造成一定的误差。根据相关理论计算，实验上生成了二次，四次叠加光涡的光束，其光涡的稳定传播距离达到3cm。.但是在项目执行过程中，出现了新型的光束：即突然聚焦光束。基于有限时间差分的方法，我们系统研究了突然聚焦光束焦点附近的光力特性，并给出了能够稳定进行粒子捕获的条件。.基于理论研究，搭建了利用凸加速光涡进行粒子（4微米直径的SiO2小球）捕获的实验装置，并利用不同种类的光束实现了粒子捕获。光涡对于高折射率的微粒捕获稳定。.基于表面等离激元的Huygens-Fresnel原理，研究了石墨烯平台上传播的红外横向加速光束的动态调控特性。在外加电场变化0.7 V的条件下，有效传播距离可以调控12微米。.研究了微米尺度变形双焦点Luneburg透镜的光子射流特性，实现了超长（>13波长）的光子射流，这为粒子操控，光学微纳加工等领域开辟了新思路，提供了新方法。.发表论文9篇，其中SCI论文9篇，IF>2的4篇。培养博士1名，硕士研究生2名，在读3名。