强聚焦超短脉冲光束自旋－轨道角动量转化及其在金属纳米粒子显微操纵中的应用

Metal nanoparticles have important applications in biology, medicine and chemistry. Based on the two recent scientific findings on the research of metal particles, namely, for the nonlinear polarization the trap site is split into two equivalent positions when trapping metal nanoparticles by ultrashort laser pulses and spin-to-orbital angular momentum conversion in a strongly focused continuous optical beam. The project will explore the phenomenon of coexistence of these two types of scientific problems. First of all, based on the Debye－Wolf theory and geometric transformations of nonparaxial optical fields, we will study the spin-to-orbital angular momentum conversion in a strongly focused circular polarized pulsed beams, and will study the spin-to-orbital angular momentum conversion between the pulsed beam and the metal nanoparticles under the consideration of the scattering of metal nanoparticles. Then, we will propose a new method that using circularly polarized pulsed beam to manipulate the metal nanoparticles; Finally, we will apply MIIPS method to measure and compensate all orders of dispersion in the optical trapping system to reveal the influence of the pulse width on the orbital dynamics of metal nanoparticles. This project will help us to know the more nature of ultrashort pulsed beams, and to provide new ideas for research biomedicine, microfluidics, micromechanics, etc.

金属纳米粒子在生物学、医学及化学等领域都有着重要的应用前景。针对目前国际上围绕金属粒子的两项最新研究发现：飞秒脉冲操控金属纳米粒子时非线性极化可导致光阱位分裂和强聚焦连续波激光束操控金属纳米粒子时的自旋－轨道角动量转化，本项目将探索这两类现象共存时的相关科学问题。首先，拟根据Debye－Wolf理论及非傍轴光场几何变换理论深入研究强聚焦超短脉冲光束的自旋－轨道角动量转化机制；并在充分考虑金属纳米粒子散射及非线性极化的情况下，阐明强聚焦圆偏振脉冲光束与金属纳米粒子相互作用时的角动量转化规律，进而提出采用圆偏振脉冲光束操控金属纳米粒子的新方法；最后，利用多光子脉冲间干涉相位扫描（MIIPS）对超短脉冲进行色散补偿和相位整形，揭示脉冲宽度对金属纳米粒子轨道动力学特性的影响。本项目的研究将为超短脉冲光束本性的研究提供一定的参考，并将为生物医学、微流体、微机械等领域的研究提供新的思路。

金属纳米粒子在生物学、医学及化学等领域都有着重要的应用前景，是目前国际上的一个研究热点。其中，飞秒脉冲操控金属纳米粒子时的非线性极化导致的光阱位分裂和强聚焦连续波激光束操控金属纳米粒子时的自旋－轨道角动量转化为围绕金属粒子的两个重要研究方向。此外，具有轨道角动量的涡旋光束也是光学领域的一个研究热点，其中涡旋光束的产生方法也是该领域的一个个重要研究方向。本项目根据Debye－Wolf经典理论及最近提出的非傍轴光场几何变换理论深入研究强聚焦超短脉冲光束的自旋－轨道角动量转化机制；阐明了强聚焦圆偏振脉冲光束与金属纳米粒子相互作用时的角动量转化机制，进而探索采用脉冲光束操控金属纳米粒子的新方法；研究并提出了一种产生具有轨道角动量的宗量拉盖尔-高斯光束的方法，并在实验上得到了验证。本项目的研究将为认识超短脉冲光束的本性提供一定的参考，并将为涡旋光束的产生和应用等领域的研究提供新的思路。