摘要: 随着对（激）光研究和应用的不断深入，标量光场（即均匀偏振光场，其在波阵面上任意位置具有相同偏振态）的局限性已突显，研究复杂结构光场已成为光场调控的发展趋势。可以想象，若引入空间调控自由度，对光场波阵面的偏振态、位相和振幅等多参量在... 展开 随着对（激）光研究和应用的不断深入，标量光场（即均匀偏振光场，其在波阵面上任意位置具有相同偏振态）的局限性已突显，研究复杂结构光场已成为光场调控的发展趋势。可以想象，若引入空间调控自由度，对光场波阵面的偏振态、位相和振幅等多参量在时域和空域进行联合调控，创建各种新颖的空间结构光场，尤其是基于偏振态的空域调控，创建具有空变偏振态分布的矢量光场，必将产生诸多新颖的效应和现象、发展新技术和拓展新应用。光场空域调控为光传播行为的操控、新颖效应的发现及潜在应用的挖掘提供了新的思路和途径。 空间结构光场具有诸多新颖特性以及令人惊奇的潜在应用，在超分辨成像、非接触生物大分子操控、光镊、量子信息、光学微加工等诸多领域，均表现出传统标量光场难以企及的巨大优势。事实上，对空间结构光场的研究已经发展成为一个全新的、跨领域的交叉学科。本论文的一个重要内容是介绍相关领域的重要进展（对应第一章内容）。更重要的是，该学科正处于蓬勃发展的阶段，国内外均面临同样的机遇和挑战，特别适合进入相关领域，开展原创性研究，而本论文重点研究空间结构光场的生成方法及与介质的非线性相互作用，主要内容和创新点包括（依次对应第二至第五章内容）: 1.提出一种基于4f成像系统的涡旋光束对产生方案，通过二维计算全息技术，可生成具有任意轨道角动量组合的光束对，且在共同像面处光强分布与拓扑荷无关;提出并阐释非简并轨道角动量二次谐波产生过程，采用非共线一类位相匹配，可产生任意拓扑荷数的倍频光场（特别是奇数和非整数），突破传统倍频实验配置只能产生偶数拓扑荷二次谐波的限制，同时验证了二次谐波产生过程中，光子轨道角动量守恒的普适性。 2.提出一种基于Sagnac干涉仪的矢量光场生成系统。将矢量偏振模式表示为光子自旋角动量和轨道角动量纠缠态，并将对复概率幅的控制转变为对实参量的调控。实验中，通过螺旋位相板控制光场拓扑荷;引入几何位相概念，保持动力学位相不变，可调控顺时针分量和逆时针分量间的相对位相;在环路外设置可调位相补偿器，实现局域线偏振和杂化偏振矢量光场的相互转换。该方案理论转换效率可达100％，适用于低功率甚至单光子系统，实验测量转换效率达到83％，损耗主要来源于光学器件的传输损耗。该方案不仅可用于生成连续矢量偏振光场，还可用于生成超短脉冲矢量光场，同时使用的光学元件均具有较高的激光损伤阈值，因而适用于高功率激光系统，另外由于闭环系统稳定性高，该实验配置具有较强的抗噪能力。 3.提出一种偏振态空间非均匀分布引发的强光自聚焦效应。推导了矢量光场在各向同性介质中传播的全矢量耦合非线性波动方程，揭示介质非线性折射率改变对局域偏振态的依赖关系，通过设计光场偏振结构引入偏振依赖的空间非均匀折射率感应变化,可对强光自聚焦效应进行主动精确控制。数值模拟表明对于一种旋向变化的杂化偏振矢量光场，非线性传播过程中将产生多个自聚焦焦点，焦点的数量等于光场拓扑荷绝对值的四倍,焦点的位置对应矢量光场局域线偏振态的位置。并构建交叉耦合模型解释了偏振依赖自聚焦效应背后的物理机制。实验结果与数值模拟相吻合。 4.提出一种能够诱导产生可主动控制的Multiple Filamentation(MF)效应的物理机制，产生的多个光丝之间具有稳定的位相关系。空间对称破缺源于偏振态依赖的非线性折射率改变，通过光场调控的手段，控制光场偏振态结构，可以实现对MF效应的精确控制。设计并实验生成了一类特殊的旋向变化杂化偏振矢量光场，并推导了可用于描述此类光场成丝过程的耦合非线性薛定谔方程。通过数值模拟和实验研究发现，尽管入射光场具有轴对称强度分布，在非线性传播过程中将产生自发空间对称破缺，对于拓扑荷为m的旋向变化杂化偏振矢量光场，可诱导产生4|m|个光丝，光丝的空间分布满足C4旋转对称性。数值模拟发现，光丝相位对入射脉冲功率波动敏感，单个光丝总是存在位相丢失现象(Loss of Phase)，但是在一定的噪声功率水平下，杂化偏振矢量光场诱发的多光丝间却可实现锁定的相对位相，实验结果与数值模拟相吻合。 收起