部分相干柱偏振矢量光束的紧聚焦特性及其应用研究

Cylindrical vector (CV) beam has attracted more and more attention due to its unique tightly focusing properties and great potential applications. In numerous practical applications, to achieve special focal spots (such as focal bottle beam), it needs to make amplitude or phase modulation to the incident CV beam. In this project,we will modulate the coherence of the incident CV beam, as well as the amplitude and phase, to improve the intensity distribution in the focal region, and obtain more special and valuable focal spots. Furthermore, we will investigate its application in optical trapping field. We will focus on the aspects of content as follows. (1) We will investigate the tightly focusing properties of spatial partially coherent CV beam with different kinds of correlation functions passing through a high numerical aperture lens. The focusing field distribution will be improved by modulating the spatial coherence of the incident CV beam. (2) We will study the tightly focusing properties of the temporal partially coherent CV beam pulse beam, and achieve focusing shaping in the focal region. (3) We will investigate the radiation force of a tightly focused spatial or temporal partially coherent CV beam acting on a Rayleigh particle. The radiation force and trapping range will be increased by modifing the parameters of light such as the spatial or temporal coherence, amplitude, phase and beam width. The project will enrich the tightly focusing theory of partially coherent CV beam, and shed light on its application in optical tweezers field.

柱偏振矢量(CV)光束由于其独特的紧聚焦特性以及极具潜力的应用前景正受到人们的极大关注。在实际应用中，为了得到特殊的聚焦光斑（如瓶状光斑），通常需要对入射的CV光束进行振幅和位相的调控。本项目拟引入相干性调控，研究在三种调控的综合作用下，对CV光束的紧聚焦光场进行调控优化，得到更特殊、更具有应用价值的聚焦光斑，并探讨其在光学俘获中的应用。主要研究：(1)不同关联的空间部分相干CV光束经过高数值孔径透镜的紧聚焦特性，通过改变CV光束的空间相干性实现对聚焦场的优化设计；(2)时间部分相干CV脉冲光束的紧聚焦特性，并对聚焦光场实现整形调控；(3)高聚焦后的空间与时间部分相干CV光束对微粒的辐射力，通过调控光束的空间与时间相干性、振幅、位相、光斑大小等参数来提高辐射力和增大俘获区域。本项目将丰富部分相干CV光束的紧聚焦理论，为部分相干CV光束在光镊中的应用提供理论依据。

相对于均匀偏振光，柱偏振矢量光束通过高数值孔径透镜紧聚焦后，能够得到对称性更好，面积更小的聚焦光斑。在实际应用中，通常需要一些特殊的聚焦光斑来作为光源，本项目致力于产生特殊的，具有应用价值的紧聚焦光斑，主要研究内容如下：（1）提出了一种利用柱偏振矢量光束通过高数值孔径透镜聚集产生径向分布的光束阵列聚焦光斑的实验方案，通过调控入射柱偏振矢量光束的阶数p和n，可以调控光斑阵列中的光斑数。并且利用两个半波片，可将上述阵列光斑进行可控旋转，光斑阵列的旋转速度是第二个半波片的2/n倍。该结果在多微粒俘获和操控领域具有潜在的应用价值；（2）在实验上产生了角向偏振的艾里光束，并研究了柱偏振艾里光束通过高数值孔径透镜后的紧聚焦特性，结果表明，角向偏振的艾里光束经过紧聚焦后，会在光束的中心轴上产生了一个半高全宽（FWHM）为0.49λ，长达52λ的“超长”黑暗通道，而径向偏振的艾里光束经过紧聚焦后，会产生长达27.5λ 的“超长”的纯纵向分量光强的光束针，远远超过此前的文献报道；（3）研究了透镜的色散效应对脉冲光束紧聚焦特性的影响，发现透镜的色散效应会在横向上增强聚焦光斑的旁斑的光强，而在纵向上则会增大中央主光斑的大小，该结果对实验上选择合适的材料制成的高数值孔径透镜提供了理论指导；（4）研究了部分相干柱偏振矢量光束的傍轴度与光束参数之间关系，发现当光斑大小能与波长相比拟时，傍轴度会发生振荡，且振荡的次数与光束阶数有关。该结果为判断部分相干柱偏振矢量光束傍轴还是非傍轴提供了理论依据；（5）研究了部分相干柱偏振矢量光束的在海洋湍流中的傍轴传输规律，发现光束在湍流海洋中传输时，光斑形状会从空心光斑逐渐演化成高斯型的光斑，演化速度随着湍流参数 ， 的增大，以及 的减小而变快。该结果对于光束水下通讯、水下成像、水下探测等应用提供了理论依据。在本项目的资助下，共发表SCI收录论文4篇，获得发明专利授权1项，完成了预期考核目标。