宽光谱部分相干径向偏振光束理论和实验研究

Polarization, coherence, and spectrum are important properties of the light field. Researches around the characterization, regulation as well as the mechanism of interaction with random media have received more and more attention due to its novel applications in free space communication, super-resolution imaging, high-density data storage and optical micro-manipulation. Combined with the polarization, coherence and spectrum of the light field, this project will carry out theoretical and experimental study of the propagation properties of non-uniformly polarized polychromatic partially coherent radially polarized beam. We will explore applications in optical micro-manipulation and spectroscopic aspects. (1) It will investigate the properties of light field of polychromatic partially coherent radially polarized beam on propagation through optical systems and random media. We will focus on internal relations among the spectrum property, initial beam parameters as well as the random media, and develop rational approach to the regulation of the spectrum. (2) We will design various special correlated source beams and analyze the effects of different correlations on the polarization and spectrum after propagation, and find out new laws and novel methods regulating the beam parameters. (3) Experimental generation and measurement the beam parameters of polychromatic partially coherent radially polarized beam, and develop basic applications in optical manipulation and media spectroscopic. This project will enrich the theory and application basis of radially polarized beam and partially coherent spectrum.

偏振、相干以及光谱是光场的重要属性，这些属性的表征、调控以及与随机介质相互作用机理研究受到了人们的极大关注，在一些领域，如自由光通讯、超分辨成像、高密度信息存储以及光学微操控等具有重要应用价值。本项目将光场偏振、相干和光谱相结合，理论和实验研究非均匀偏振的宽光谱部分相干径向偏振光束的传输调控特性，探索其在光学微操控以及光谱分析方面的应用。(1)研究宽光谱径向偏振光束经过光学系统以及各种随机介质传输后的光场特性，重点研究传输后的光束光谱特性与初始光参数以及随机介质间的内在联系，找到简便合理的方法来调控光束的光谱。(2)设计不同特殊关联的初始光束，研究不同关联特性对传输后的偏振特性、光谱特性的影响，揭示新的调控方法和新规律。(3)实验产生和测定宽光谱部分相干径向偏振光束各光参数，拓展其在光学操控和介质光谱分析方面的应用。本项目将丰富径向偏振光束和部分相干光谱方面的理论及应用基础。

近年来，深入发掘光场调控机理，精确设计新颖结构光束受到了广泛关注，在成像、光学微操控以及光通信等领域具有重要应用前景。本项目结合相干、偏振、相位以及光谱调控，多维度操控设计新颖径向偏振光束，并研究光束与湍流介质以及非线性介质相互作用新现象和新特点。本项目研究内容契合当前学科前沿热点，研究方法新颖，基础理论深入，研究内容系统且成果丰富，一些研究工作具有很好的原创性和启发性。取得的创新性成果包括以下四个方面：(1)首次理论提出并实验产生了非均匀关联径向偏振光束；调控相干结构实现了2D任意阵列分布径向偏振焦场的精确操控。(2)调控光场相干结构和偏振结构，深入研究了宽光谱径向偏振光束光谱演化特性。研究发现远场光谱特性与初始相干结构以及偏振结构密切相关，轴上会出现 “双峰”光谱频移现象，可通过相干结构设计来实现远场光谱频移特性操控。(3)基于模式展开理论，严格证明了非均匀高斯关联源可以携带扭曲相位，得到了携带扭曲相位的条件。研究表明：扭曲光场具有新颖的动力学特征，单光子可以携带非常高的轨道角动量，可用于光力微操纵。此外，扭曲光束具有很好的传输稳定性，可以有效抑制大气湍流引起的光强闪烁和光束漂移等现象，可以适用于自由光通信。深入研究表明:远场光谱特性与扭曲相位密切关联，尽管相干结构会显著影响光谱频移特性，但施加扭曲相位会显著抑制光谱频移现象，宽光谱径向偏振光束轴上“双峰”光谱频移现象会随扭曲相位的增加而消失。(4)调控信号光的相干、偏振以及相位，我们发现远场偏振度、相干度、偏振态会和自由空间保持一致。统计均一稳定的大气湍流扰动，会均匀降低了初始光束的相干性，从而加速光束的衍射扩展，但并不改变光束整体的强度分布、偏振度以及偏振态。此外，对于GRIN渐变折射率增益材料，调控初始光场的相干结构，可以有效提高光场的增益效率。我们的研究成果很好的丰富了部分相干径向偏振光束的理论及应用基础。