自由空间中矢量光束弯曲传播行为及其可调控性研究

Light propagates in straight line in free space without any accelerating source, however, recently, theoretical and experimental researches show that the light can propagate along curve path in free space without any acceleration. This kind of phenomenon is very important and may find wide applications in optics and related domains. This project will focus on the research of curve propagating properties and its controllability of vector beam in free space. The main research content includes: study on the optical essence of vector beam in free space by means of vector diffraction theory; investigating the description of the possible existing light field; expressions of polarization, optical angular momentum, and wavefront phase distributions of the curve propagating vector beam in free space; effect of the polarization, optical angular momentum, and wavefront phase distributions on the propagating properties of the curve propagating vector beam; controllability of the curve propagating properties of the curve propagating vector beam in free space; design and construction of optical system for the purpose of experimental research. Implement of this project will play a pushing role in many domains, including optical measurement, optical communication, optical micro-manipulation, photoelectric testing, and reaction between light and matter. This project is very worth researching and may find wide applications.

光束在自由空间中无外界干扰情况下是沿着直线传播的，但是，近期理论和实验研究表明，自由空间中没有外界干扰的情况下，光束可以弯曲传播。这种现象在光学及其相关应用领域中具有广泛的研究意义和应用价值。本项目将研究自由空间中光束弯曲传播及其可调控性能，重点内容包括：依据光学矢量理论研究自由空间矢量光束本质，探索可能存在光场的表达形式；自由空间中弯曲传播矢量光束的偏振态分布、光学角动量、波前相位等特性的表征；偏振态分布、波前相位和光学角动量对弯曲传播矢量光束传播特性的影响；自由空间中矢量光束弯曲传播的可调控性能；设计和构建光学系统进行实验研究。本项目研究将对光学测量、光通讯、光学微操纵、光电检测技术、光与物质相互作用等领域带来巨大推动作用，具有重要的理论研究意义和广阔的应用前景。

本项目研究自由空间中光束弯曲传播及其可调控性能，本项目在应用拓展、相关技术等方面取得的研究进展如下： .1）研究自由空间中弯曲传播矢量光束本质问题 。基于光学矢量理论，研究了当前自由空间中弯曲传播光束，对其产生和传播深入了解。从麦克斯韦方程组中导出弯曲传播标量光束的方法和过程，在项目组原有研究基础上深化对光学矢量理论的分析，探索麦克斯韦方程组的奇异解存在问题。对弯曲传播矢量光束解的理论推导过程进行总结分析基础上，进行拓展，从数值计算、软件仿真、理论推导、原理解析等多方面进行研究和探索弯曲传播矢量光束本质，系统研究可能存在弯曲传播矢量光场。 .2）建立自由空间中弯曲传播矢量光束的偏振态分布、角动量、波前相位等参量表征方法，探索光束光学参量对矢量光束传播特性的作用。研究了自由空间中矢量光束弯曲传播过程中，偏振态分布、自旋角动量、轨道角动量、波前相位对光束弯曲传播路径的影响，探索包含有偏振态分布、自旋角动量、轨道角动量、波前相位的光束弯曲传播路径方程，推导矢量光束弯曲传播路径方程随偏振、角动量波前相位演化方程表达式。.3）在此基础上，调节偏振态分布、角动量、波前相位，得到自由空间中矢量光束弯曲传播行为变化规律。在研究了弯曲传播矢量光束偏振态分布、波前相位和角动量对矢量光束传播特性的作用的基础上，以及在得到自由空间中矢量光束弯曲传播行为变化规律前提条件下，探索了弯曲传播矢量光束中偏振态、波前相位和角动量的调节原理及相关方法。