空变偏振光束聚焦场的反向构建与操控研究

空变偏振光束在大数值孔径光学系统下聚焦光场的研究是矢量光学的重要研究内容。本项目中，将空变偏振矢量光场的聚焦过程阐释为偶极子阵列辐射光场的反向会聚过程，发展一种系统化的聚焦光场的反向构建理论与操控方法。从偶极子电磁辐射理论和光学天线设计理论出发，依据预期聚焦光场分布来设计并优化焦场区偶极子天线的结构参数，结合矢量场聚焦的积分理论，对聚焦光场进行基于天线反向辐射场的矢量化构建和偏振态的操控，并推演出所需的输入矢量光场模式。构建的聚焦光场，具有自由控制三维光强与偏振态分布的优点，可获得超衍射极限的三维偏振聚焦光场、超长焦深的近纯轴向偏振光针、纯方位偏振光管场、三维平顶光场、空心"光泡"阵列和实心球形光包阵列，以及其他特殊分布形态的聚焦场。这些聚焦光场将在高分辨率光学显微、微纳粒子捕获与操控、等离子光子学技术、激光精细加工等领域获得重要的应用。

空变偏振矢量光场的产生、调控、传输和聚焦是近年来光学领域一个重要的研究方向。本项目基于光学偶极子天线的设计与辐射场构建，围绕空变偏振矢量光束的大数值孔径聚焦，重点研究了具有重要应用前景的聚焦光场的三维形貌构建及偏振态操控，发展了一种系统的反向构建理论。研究结果揭示了聚焦矢量光场和偶极子阵列场的内在光学关系，构建了包括光针场、光管场、三维平顶光场、三维光链场、偏振可控的球形光斑阵列等在内的一系列特殊聚焦光场，获取了所需的入射光场模式，这些光场模式对连续式、离散式、全晶体型光瞳滤波器的设计研究有指导意义。项目研究结果对于完善矢量光场的聚焦理论具有重要的科学意义，并且有望在光学显微、粒子捕获与操控、光信息高密度存储、等离子光子学技术及激光精细加工等方面获得重要的应用。