新型矢量光场调控:简介、进展与应用

作为光的一个基本属性,偏振态提供的自由度对光场调控具有重要作用。具有空间结构偏振态分布的矢量光场因其具有不同于传统标量光场的独特性质而被应用于诸多领域,但矢量光场的早期研究主要集中于柱对称的局域线偏振矢量光场。近年来,偏振态分布更加丰富的新型矢量光场逐渐得到关注,这些新型矢量光场的出现丰富了矢量光场的种类并提供了新的调控自由度,被应用于焦场调控、光学微加工、光学微操纵和光信息传输等领域。综述了近年来出现的新型矢量光场,包括柱坐标系中的杂化偏振矢量光场、庞加莱球相关的矢量光场、阵列矢量光场、多奇点矢量光场和其他非柱对称的矢量光场,介绍了其进展、设计方案、实验生成、性质和相关应用。     

Ince-Gaussian矢量光场的产生研究

复杂空间结构矢量光场是当前光场调控领域的重要研究内容。作为一类基于椭圆坐标系的本征激光场,Ince-Gaussian(IG)光场比Laguerre-Gaussian和Hermite-Gaussian两类本征光场具有更丰富的空间自由度,是构建复杂空间结构矢量光场的基本光场之一。基于正交偏振IG偶模和奇模的空间叠加理论,通过空间光调制器分离调控偶模和奇模光场,系统地研究了不同阶数下正交偏振IG模式叠加生成的不同空间结构的IG矢量光场。对获取的矢量光场进行分析,并与理论模拟的结果进行对比,验证了并联分离调控产生IG矢量光场的可行性。     

前言

正光场调控、传输及应用是当前国际光学与光子学领域的一个研究热点。光场调控一般可分为空域、时域以及时空域联合调控。空域调控主要是指调控光场振幅、偏振态、相位、空间相干结构等空间分布,以产生具有特殊空间分布的新型光场;时域调控主要是指调控激光脉冲形状、脉宽、啁啾以及相干特性,以产生极短极强激光。目前,光场调控研究主要涉及光场调控原理和技术、调控光场传输机理和特性、新型光     

自由空间中偏振调制光场的传输及控制

光场的偏振态作为光场调控的一个新自由度,逐渐成为研究者们关注的热点。对光场偏振态的非均匀调制可以实现光子自旋-轨道相互耦合,从而发掘很多新的光学现象,其中Pancharatnam-Berry(PB)相位扮演了至关重要的角色。在偏振转换中,光场的不同偏振分量得到不同的PB相位。利用PB相位对光场偏振分量进行波前整形,以控制光场偏振分量的传输,从而在光场传输过程中实现偏振转换、角动量转化、能流控制等。光场偏振调制的相关研究在自旋选择成像、微粒操控、激光微加工、信息传输与修复中具有潜在的应用价值。分析了偏振调制光场的传输和控制原理,总结了近年来国内外的相关研究工作进展。     

基于矢量光场的TeO2晶体旋光特性研究

矢量光场在其传输和与物质相互作用过程中,光场状态的时空演化区别于传统偏振光,具有独特的矢量化特征。研究了晶体二氧化碲（TeO₂）对于径向偏振矢量光场的调控特征,通过斯托克斯参量的测量,分析了3个晶体样品的偏振态演化规律,揭示了TeO₂晶体的旋光特性,表明其可以起到和双λ/2波片相同的偏振调控效果。研究结果有助于理解矢量光场在双折射晶体中的传输特性,促进矢量光场相关晶体器件的设计与应用。     

强非局域非线性介质中拉盖尔-高斯型光孤子相互作用

利用强非局域非线性介质中傍轴光束传输的线性模型(修正的Snyder-Mitchell模型)讨论了两束共线(即光束中心和传输方向都相同)拉盖尔-高斯型光孤子的传输过程. 改变双光束的相对阶数和相对强度比,叠加光场在传输截面上的光强分布呈现出多样性,通过叠加的方法在该介质中产生了多环形光孤子. 一定条件下传输光束在传输过程中会出现旋转现象,叠加光场成为旋转光场,给出了旋转光束的旋转条件以及旋转速度. 进一步利用拉盖尔-高斯光束在传输过程中特有的螺旋相位特点分析了光场截面强度多样性产生的物理机理. 关键词： 强非局域非线性介质 拉盖尔-高斯型光孤子 共线传输 涡旋相位     

具有空间结构的强激光场与原子相互作用研究的新进展(特邀)

随着超快超强激光技术的发展,强激光场光与物质相互作用的研究得到了广泛的关注。与此同时,光场调控技术在经典光学领域中的快速发展为光学操控提供了一个新的自由度。近年来,这两个不同领域之间的结合——具有空间结构的强激光场与物质相互作用,成为了强场物理前沿研究的热点之一。光电离和高次谐波是传统强场科学中两个十分基本又非常重要的物理过程。本文总结和综述了涡旋强激光场对光电离过程的影响和控制方面的研究进展,以及利用涡旋光束或者柱矢量光束驱动气体高次谐波产生等方面的最新工作,最后展望了具有空间结构强激光场与物质相互作用物理和光场调控研究的发展方向。     

特殊关联结构光束的大气传输研究进展

近年来,光场调控逐渐成为光学领域的热点研究课题,光场相干性调控可以引发许多新颖物理效应。其中,通过相干性调控得到的特殊关联结构光束不仅展现出奇特的传输特性,而且可以有效地降低大气湍流引起的光强退化、光束漂移、光强闪烁和退偏振等负面效应。因此,特殊关联结构光束在自由空间光通信领域具有重要的应用前景。本文回顾了特殊关联结构光束的构建基础理论和大气传输研究方法及其发展历程,举例展示近些年典型特殊关联结构光束的大气传输研究成果。     

离轴椭圆矢量光场传输中的光斑演变

对离轴椭圆矢量光场的传输特性进行了研究. 推导出离轴椭圆矢量光场在自由空间传输电场和光强的解析表达式. 数值分析结果表明, 离轴高阶圆柱矢量光场具有非对称的光强分布, 传输后的光强分布由传输距离、错位位移、椭圆率决定. 在传输过程中除了光斑会展宽外, 光场中的暗斑会逐渐消失, 最终趋于一种稳态光强分布; 相对于初入射平面的椭圆光斑, 稳态椭圆光斑长短轴互换了. 研究结果有助于深入理解离轴情况下椭圆矢量光场的动态传输特性, 同时可以指导实际椭圆矢量光场的校准.     

光场偏振分布测量方法及其应用（特邀）

偏振是光的固有属性之一,用于描述电矢量的振动方向,也是光场的一个重要信息参量。光场的偏振测量,尤其是具有复杂空间结构光场的偏振分布测量,是研究光场偏振特性及其应用的重要课题。本文从偏振测量的相关原理出发,总结评述近年来有关光场偏振分布测量和材料光学各向异性测量方法的发展动态,以及不同条件下光场的斯托克斯参量、光学各向异性材料的琼斯矩阵和双折射参数的测量方法及其应用。     

液晶染料填充阶梯型Double-period结构局域模的光学特性

利用传输矩阵法研究了液晶染料填充一维阶梯型Double-period第四代准周期结构局域模的光学特性。计算了增益前局域模与外加电场方向和正入射波方向间夹角θ的变化关系,分析了增益系数与局域模透射率的关系以及局域模在空间位置的光场分布,讨论了增益后的局域模透射率与光场强度的关系。结果表明:随着夹角θ的增大,光子禁带变宽并且只向短波方向拓展;随着夹角θ的增大,增益前的局域模向短波方向移动,透射率逐渐增大,且局域模波长的调控量为23.7nm。随着增益系数的增大,透射率先增大后减小。光场分布呈现局域现象,当夹角θ=43.4°,波长λ=595.0nm时,光强达到6个数量级。增益后的局域模透射率与光场强度呈正比关系。     

非线性自加速光场及其应用

近年来,艾里光束/脉冲等光场因其独特的自加速传输特性以及在诸多应用中表现出的优势引起了人们极大的研究兴趣。但在非线性环境中,这类光场却面临失去其特殊结构以及加速特性的困境。为了解决这一问题,非线性自加速光场应运而生,使得非线性过程具有加速的特质。本文基于作者近期的工作回顾了非线性自加速光场的研究进展。首先讨论了它们的物理图像以及它们与艾里光场的联系,其次详细介绍了自加速特性在非线性调控、非线性响应函数的可视化以及光控光中的独特应用优势,最后介绍了一种新式的光场自加速行为|| 可类比于经典力学中正负质量物质的相互作用过程。这些非线性自加速光场可让非线性动力学过程在弯曲时/空发生,能引起平坦空间无法实现的新现象与新应用。     

散斑及压缩计算成像研究进展

计算成像是集光学、计算科学、信息科学于一体的新兴交叉领域技术。该技术基于多维光场调控与解调的信息传输原理,利用前端光电成像系统与后端数据处理的“一体化设计”,解决光场信息维度与探测维度不匹配的问题,从而有效提升感知能力和探测性能,目前已成为光电成像领域的前沿方向。其中,散斑成像能够通过调控散斑场来实现强散射光成像,打破了光散射妨碍成像的传统观点;空域和时域压缩计算成像通过对光场信号的编码,能够突破半导体工艺、大量数据传递与处理对高分辨率、高速探测器的限制;压缩计算光谱成像结合光学调制、复用探测与计算重构,解决了传统光谱成像中系统复杂、数据采集效率低和分辨率受限的问题。详细介绍这3类计算成像模式的原理方法和最新研究进展,分析当前尚存的问题,并对这类技术的未来发展方向进行了展望。     

基于可调谐复振幅滤波器的超长焦深矢量光场

根据矢量光场衍射积分理论和离散复振幅光瞳滤波原理, 通过一种由双λ/2波片和离散复振幅滤波器组成的可调谐复振幅滤波器, 研究了大数值孔径下超长焦深聚焦矢量光场的构建与调控. 给出了一个六环带区的离散复振幅滤波器, 对入射光场的偏振态、振幅滤波和相位滤波三者进行同步优化, 获得了焦深接近10λ的三维平顶光场; 通过调控双λ/2波片夹角来改变聚焦光场的矢量化结构, 使之在光针场、平顶光场、光管场及中间结构光场之间交替变化. 研究结果揭示了入射光场矢量化结构演化与聚焦光场矢量化结构变换之间的关系, 解决了获取动态的、可调控的超长焦深聚焦光场的问题. 两种基本的聚焦光场光针场、光管场的独自使用或三维平顶光场的调和使用, 将会在光学显微、光学微纳操控以及光学精细加工领域获得重要应用.     

基于微纳结构及材料特性的光场调控模拟研究

利用时域有限差分算法（FDTD）对微纳结构靶的光场分布进行仿真模拟,探究微纳结构靶中的光传输机制,分析材料特性和结构参数对光传输特性和光场分布的影响。基于光场分布及演化的仿真模拟结果,对比半导体氧化铝、绝缘体二氧化硅和金属铜三种导电性不同的材料上纳米线和纳米孔阵列微纳结构靶的激光传输特性,分析光传输过程中的光场分布变化。研究结果表明,通过改变氧化铝和二氧化硅纳米孔（线）阵列结构靶中孔洞（纳米线）直径和间距等结构参数,可以实现对微纳结构靶中光传输特性和光场分布的调制,实现光场在介质材料和真空区域间的周期振荡分布,或是以一种稳定形态传输;激光在铜纳米孔阵列中传输时,透光性随孔洞半径的增加而增加。基于光场分布及演化的仿真模拟结果,对比不同材料、不同微纳结构靶的激光传输演化特性,给出物理图像及对应现象规律,根据光场调控需求,给出微纳结构靶设计。     

蜂巢光子晶格中光波的无衍射和反常折射

空间频率模式的光子带隙反映了光波在周期性结构中的线性传输特性.以这种线性传输特性为基础,研究了蜂巢光子晶格中光波的无衍射和反常折射.通过详细分析带隙结构第一通带上的衍射与折射特性,得出了光波发生反常衍射和折射的入射条件.匹配不同的入射条件,数值模拟了光波的无衍射传输和反常折射现象.结果表明:将入射光束的波矢设置在蜂巢晶格布里渊区中正常、反常衍射区的交界处,可使高斯光束沿x轴、y轴方向的衍射得到有效抑制;以多光束干涉场作为入射光场,可对蜂巢晶格进行模式匹配,激发第二布里渊区的传输模式;进一步将模式匹配后入射光场的波矢设置在反常折射区,可实现光波的反常折射.     

矢量空心高斯光束横纵向光场传输特性

基于矢量瑞利-索末菲衍射积分,研究了矢量空心高斯光束横向光场和纵向光场在自由空间中的传输特性.研究结果表明,空心高斯光束的横向光场与纵向光场在传输过程中光强分布情况并不相同,横向光场的光强分布具有旋转对称性,并且保持空心特性的距离受光束阶数的影响,而纵向光场不再具有旋转对称性,并且在理想状态下纵向光场可以一直保持空心特...     

"光场调控及应用"专辑导读

实现对光场在时域和空域的多维度联合调控对于集成化、智能化和小型化光学系统的发展具有重要意义,在信息、生命、化学和材料等领域具有广泛的应用前景.光场调控研究一般可分为空域、时域以及时空域联合调控三个方面:空域调控主要研究光场的振幅、偏振态、相位、空间相干结构等空间分布的调控机制与方法,以实现具有特殊空间分布的新型光场;时...     

面向光纤通信多维复用的光场调控与传输技术

复杂光场通常是指相位、振幅和偏振等具有特殊分布的结构光场,包括以轨道角动量模式为代表的涡旋光场和以偏振态非均匀分布的矢量光场。利用复杂光场构建多维复用光纤通信系统已成为空分复用光通信技术的研究热点。介绍了通过光纤实现复杂光场产生、调控、传输的方法;简述了新型环形纤芯光纤在低复杂度、短距模式复用光纤通信系统中的应用;介绍了基于Q玻片的短距直接检测矢量模式复用光纤通信系统实验;简要分析了光纤光栅耦合模式转换法,以及利用少模光纤实现一阶和二阶轨道角动量模式的产生方案;同时介绍了利用一维和二维周期渐变相位光栅测量涡旋光场特性的技术方案。光纤损耗和模式串扰是限制基于复杂光场的模式复用光纤通信系统性能的关键因素;基于光纤产生和调控高阶复杂光场仍然具有很大的挑战性。复杂光场模式复用技术作为一种基于光纤本征模式的复用技术,与其相关的研究在未来超大容量模式复用光纤通信系统中具有重要的研究意义和潜在的应用价值。     

部分相干光经单缝衍射后的光谱变化

从几何成像规律和交叉谱密度函数的传输定律出发,从理论和实验两方面研究多色谢尔模型光束经单缝衍射后光场的光谱变化现象.理论研究结果表明:部分相干光谱经单缝衍射后,在衍射光场的某些点,光谱相对于光源的光谱往短波方向移动,即为蓝移;而在衍射光场的另一些点,光谱呈现红移.实验结果与理论结果符合得很好.