自加速激光束的光场调控、传输及其应用研究

Existing research show that the self-accelerating beams have the properties of propagation-invariant, self-healing and self-accelerating, which make them very useful in the field of curved plasma channels generation, optically clearing, particle manipulation, electron acceleration, light bullet and optical routing and so on.In this project, we mainly plan to carry out the following research topic both theoretically and experimentally.We will study the propagation properties of self-accelerating beams with spiral phase and twist phase in free space and optical system. We will study the evolution of self-accelerating beams with radial and azimuthal polarizations in the space-time domain. We will study the propagation properties of self-accelerating beams with different complex degrees of coherence in the optical system. We will study the propagation properties of self-accelerating beams with aplitude modulation, phase modulation, polarization modulation and coherence modulation in the turbulence atmosphere. By choosing suitble modulation means, we will explore the possible way to reduce the negative influence of turbulence such as beam spreading, beam wander and scintillation index. We will study the influence on propagation of self-accelerating beams with multi-parameter modulation. We will explore the way which can optimize modulation according to the actual need. On the basis of the above research, we will discuss the applications of the self-accelerating beams in optical imaging and encryption, optical trapping and quantum information. This project will enrich the propagation and modulation theory of self-accelerating beams, and the main results of this project will provide the basis for the applications of self-accelerating beams in practice.

自加速激光束具有传输不变、自愈合以及横向自加速三大特性。这些特性使其在弯曲等离子体通道产生、光学清扫、微粒操控、电子加速、时空光弹和全光路由等领域有重要应用。本项目理论结合实验重点研究以下几个方面的内容：研究携带螺旋位相和扭曲位相的自加速光束在自由空间及光学系统中的传输特性；研究径向偏振和角向偏振自加速光束的时空演化特性；研究各种特殊关联的部分相干自加速光束在光学系统中的传输特性；研究经振幅、位相、偏振、相干性调控后的自加速光束在湍流大气中的传输特性；探索利用各种调控手段降低自加速光束在湍流大气中的光束扩展、漂移、闪烁等负面影响的方案；研究多参量联合调控对自加速光束传输特性的影响；探索根据实际需要优化调控方案的方法。在此基础上探讨被调控的自加速光束在光学成像及图像加密、光学俘获以及量子信息等领域的应用。本项研究工作将丰富自加速光束的传输与调控的基础理论，为其实际应用提供依据。

自加速激光束因具有无衍射、自修复以及横向加速等特性而在光学清扫、微粒操控、表面等离子体波、电子加速、全光路由、超分辨率成像等方面有重要应用。本项目围绕自加速激光束的调控、传输及应用开展研究工作，取得了多项研究成果，完成了预期的目标。主要成果包括：（1）我们选取合适的参数来用高斯光束相干合成自加速的艾里光束，用解析的方法研究了其在湍流大气中的传输，其结果为产生大功率的自加速光束提供了新思路。（2）我们借助数学上描述希尔伯特空间中两个矢量相似的数学工具定量研究了自加速艾里光束和无衍射贝塞尔-高斯光束的自修复能力，发现在一定范围内，自加速艾里光束的自修复能力比贝塞尔-高斯光束强。我们的方法是第一次用数学的方法定量比较不同激光束的自修复能力，有操作简单和定量的优点。（3）研究了自加速艾里光束经过湍流大气的光束漂移和表示光束平滑特性的K参数之间的关系，发现无论艾里光束的特征尺度及波长、传输距离、湍流的内尺度如何变化，其光束漂移均在K=4.3时达到最大值。（4）研究了相干性调控的阵列无衍射艾里光束在湍流大气中的漂移效应，发现采用相干性调控技术和阵列手段减小漂移的效果极为明显。部分相干无衍射艾里光束阵列不仅相对漂移明显小于相同阵列阶数的部分相干高斯光束，而且在传输距离较大时优势更为明显。（5）讨论了无衍射艾里光束在湍流海洋中的漂移效应，发现无衍射艾里光束在湍流海洋中的漂移比高斯光束要小并得出了漂移与湍流海洋的盐度起伏、海水温度方差耗散率、海水动能耗散率及海洋湍流可见参数之间的具体规律。同时，我们发现相干性调控技术同样可以明显减小无衍射艾里光束在海洋湍流中的漂移。（6）开展了基于相干叠加和相移干涉测量的秘密共享方案及光学图像加密的研究。（7）开展了基于累积量理论的量子非高斯动力学及纠缠态的非高斯型评价问题的起步研究。