光场调控

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1、项目名称：光场调控及与微结构相互作用研究首席科学家：王慧田南开大学起止年限：2012.1至2016.8依托部门：教育部天津市科委一、关键科学问题及研究内容 拟解决的关键科学问题：  针对前沿科学问题、关键技术以及国家重大需求，以现有工作积累为基础，集中有限目标、深入开展具有重大科学意义和原始创新的工作。目前，开展激光与相关应用研究，所用激光绝大多数为具有均匀偏振态分布的标量光场。本项目集中深入开展空间结构光场相关研究，不仅具有重大科学意义，而且有望为下一代信息技术的发展提供一条新途径，具有前瞻性和迫切性。光场调控、光场与微结构相互作用以及与电子态耦合的调控，以及在超

2、分辨成像等方面应用的探索是密不可分的一个整体。本项目拟解决的关键科学问题如下：   关键科学问题1：空间结构光场的基本问题； 光场调控的新原理和新技术 光场空域调控涉及偏振态、位相和振幅以及多参量联合调控。尤其是偏振态调控自由度的引入以及新颖动量和角动量的出现，使得空间结构光场具有许多新颖性质。揭示空间结构光场的时空演化规律，发展描述空间结构光场的理论框架。在此基础上，打破单一参量调控的局限，提出多参量联合调控的新原理和新技术。      关键科学问题2：空间结构光场的焦场工程； 不同空间尺度光场与微结构相互作用机理 具有不同空间尺度和新颖特性的焦场设计与控制，主要

3、针对纵向场增强、新颖动量和角动量；具有新颖角动量聚焦场的力学效应及其在微操纵中的应用。新型光场与物质非线性相互作用的全矢量耦合波理论，尤其关注空间结构光场的时间反演问题。新颖动量和角动量以及纵向场对空间结构光场与微结构材料相互作用的影响。偏振态和位相的空间结构与微结构材料的空间结构相互作用与耦合问题。  关键科学问题3：具有新颖动量和角动量的光场与微结构中电子态耦合；空间关联光量子态 具有新颖动量和角动量的光场与微结构中电子态耦合的机理，及其动量和角动量守恒等基本物理问题；空间结构光场所具有的新颖偏振态分布特性、新颖角动量和强纵向场，对激发/辐射过程的控制；空间结构

4、光场与微结构相互作用所致的空间关联光量子效应的基本物理问题；空间关联光量子态与微结构材料空间结构的相互作用机理。关键科学问题4：极小空间尺度光场产生的原理与表征技术；极小空间尺度光场与电子态耦合  远场极小空间尺度光场生成的新原理与新技术、物理描述、表征技术以及实验构建(包括偏振态、位相与振幅空间分布)。发展远场极小空间尺度光场与小量子体系作用的基本理论。远场极小空间尺度光场对微结构物体和小量子体系的超分辨成像技术。提高近场光学成像系统的效率与空间分辨能力的新原理与新技术。  主要研究内容:  围绕上述四方面拟解决的关键科学问题，拟深入开展如下四个方面研究。   研

5、究内容1: 空间结构光场的基本问题、调控机理和制备技术  (1) 空间结构光场的基本问题和时空演化。揭示光场的空间结构对调控机理和光场特性的影响规律。  (2) 基于偏振态、位相、振幅以及多参量联合空域调控，制备具有新颖动量和角动量光场的新原理和新技术。  (3) 创建连续波和飞秒脉冲空间结构光场的新原理与新方案。  (4) 周期和准周期排布的多奇点空间结构光场的创建与调控的新原理和新技术；对称破缺的空间结构光场的奇特性质和新效应。   研究内容2：具有不同空间尺度和新颖特性的焦场及其与微结构相互作用  (1) 研究空间结构光场的焦场特性和纵向场增强新方案；发展和完

6、善光场空间调控的新颖焦场理论。研究焦场的空间结构对操纵微粒的影响。  (2) 研究空间结构光场与微结构线性相互作用所致的新现象、新效应和新机理；重点关注光子晶体和metamaterials(包括金属微结构)等微结构。  (3) 研究空间结构光场与体材料的非线性相互作用，尤其是角动量和纵向场导致的新现象和新效应；重点关注时间反演空间结构光场的新机理。  (4) 发展空间结构光场与非线性微结构材料相互作用的全矢量耦合波理论；研究偏振态和位相的空间结构与微结构材料空间结构的相互作用。   研究内容3： 光场与微结构中电子态相互作用的量子效应  (1) 开展具有新颖动量和角

7、动量的光场与微结构中电子态耦合机理的研究，讨论相互作用过程中动量和角动量守恒等基本物理问题。  (2) 研究空间结构光场对微结构中光激发和辐射等过程的影响，发现新的量子现象，并讨论其物理机制。  (3) 完善非线性微结构设计理论，研究空间关联光量子效应，以及空间结构光量子态的基本物理问题。  (4) 研究空间关联光量子态与微结构材料空间结构的相互作用机理，寻找实现空间关联光量子效应的调控方案。   研究内容4： 极小空间尺度光场  (1) 调控光场的偏振态、位相和振幅，寻找实现高耦合效率近场器件的新原理与新方案。  (2) 基于新原理的远场极小空间尺度光场生成与