多类型径向偏振光的产生与衍射特性及其在托卡马克第一镜损伤检测中的应用研究

Radially polarized beams have been widely applied to charged-particle acceleration, optical guiding and trapping, metal cutting and high density storage field due to its unique optical properties. Study of the generation, properties and application has important practical significance. The current generation system of radially polarized beam is complicated with poor practicability, and its properties are mainly concentrated in the focusing property, little research on double-slit interference properties and grating diffraction properties, also less study on the measuring methods and applications. This study aims to improve the practicability of radial polarized beam. High purity multi-type radially polarized beams, including azimuthally polarized beams will be generated by an experimental system with simple structure, low cost and easy operation. On the basis, we will further study the double-slit interference properties and grating diffraction properties of radially and azimuthally polarized beams in theory and experiment, and explore the measuring methods. The changing rules of polarization information (such as polarization azimuth, circular polarization angle and degree of polarization) and beam reflectivity distributions of radially and azimuthally polarized beams after interaction with the first mirror material Wu, Mo, stainless steel etc. will be obtained. We will explore to retrieve the material surface morphology and composition and apply the obtained rules in the real-time monitoring surface damage of Tokamak fusion first mirror, which expands the application of radially polarized beams.

径向偏振光因其良好的光学特性已应用于粒子牵引、粒子捕获、粒子加速、金属切割以及高密度存储等领域，研究其产生、特性及应用具有重要现实意义。现有径向偏振光系统结构复杂、实用性差，其特性研究主要集中在聚焦方面，而对双缝干涉和光栅衍射研究的少，对其测量方法及应用的研究也很少。本项目以提高径向偏振光的实用性为目的，拟采用结构简单、成本低、易操作控制的实验系统产生高纯度多种类径向偏振光，包括产生角向偏振光。在此基础上，进一步开展径向和角向偏振光双缝干涉和光栅衍射特性实验和理论研究，并探索测量径向/角向偏振光的方法，获取径向/角向偏振光经钨、钼、不锈钢等第一镜材料相互作用后的偏振信息（如偏振方位角、圆偏振角和偏振度等）及反射率变化规律，探索反演出物体表面形貌及成分信息，用于实时监测托卡马克聚变堆第一镜表面损伤情况，拓展了径向偏振光的应用。

径向偏振光因其良好的光学特性已应用于紧聚焦、光束整形、粒子加速和俘获、激光材料加工、超分辨技术和光学计量学等领域，最近的研究也证明了其在光通信、量子信息处理、自旋和轨道角动量效应以及光纤和集成光学等方面的潜在应用，研究其产生、特性及应用具有重要现实意义。本项目提出了3种产生多类型径向偏振光的方法，包括基于单液晶空间光调制器产生可编程的任意柱矢量偏振光、利用厚度螺旋渐变半波片产生高功率多类型径向偏振光、以及利用涡旋半波片产生任意柱矢量偏振光。在此基础上，重点研究了柱矢量光束的双缝干涉特性，发现干涉条纹出现错位分层，理论上分层数M可达2P+1层，其中P为偏振阶数，但由于两缝之间存在缝间距d，遮挡了柱矢量偏振光的部分光束，实验发现当P≤P0时（P0分界点为），分层数M=2P+1，随着P的增大，P>P0时，M=2P-1，分界点P0与缝间距d的大小有关，d越大，则P0越小，甚至当P=2时就出现2P-1的分层数，此时1阶和2阶矢量光束的双缝干涉条纹都出现3层，但2阶（高阶）的中央条纹密集度明显大于1阶（低阶），基于此可对其进行区分，当d越小，P0值会增大。此外，对于柱矢量涡旋光束，双缝干涉条纹除了错位外，条纹还会发生倾斜，倾斜量与涡旋拓扑核数l正相关，基于此可便捷检测柱矢量偏振光的偏振阶数P以及涡旋相位等。进一步开展了任意柱矢量偏振光偏振信息的测量方法研究，通过测量柱矢量偏振光束的斯托克斯参量（S0,S1,S2,S3）获得了其空间二维偏振信息，包括偏振度、偏振方位角以及椭偏率等，通过偏振方位角很容易分辨出柱矢量偏振光的类型。在此基础上，搭建了一维和二维偏振信息测量系统，对偏振光通过钨、钼、铜、不锈钢等第一镜材料前后的反射率和偏振信息进行测量，通过对比鉴定第一镜的损伤情况。本项目的研究将在柱矢量偏振光及其在托卡马克第一镜非接触实时二维检测与诊断的应用领域争得先机起到重要推动作用。