成果简介
光场调控是当前光学学科发展最活跃的前沿之一，其通过对光波电磁场与物质相互作用的精准控制，产生具有多维度(偏振、相位、振幅、频率等)时空结构的新型光场，在信息科学、化学、生命科学、材料和物理科学等领域有着重要的应用前景。基于此，2023年我校光场调控课题组做了如下成果：（1）光镊技术是一种无接触、高精准操纵微纳粒子的方法。为了增强光镊的性能并降低光损伤，我们构建了一种新型的自会聚光场——圆Pearcey Airy光场。研究表明，这种光场具有优秀的自会聚性能，可以增强捕获力，并通过对光场参数的调节来实现捕获力和捕获位置的灵活调控。更重要的是，圆Pearcey Airy光场能够在纵向实现多次自会聚，从而在传播方向上形成多个捕获区域，显著增强了光镊在纵向的捕获性能。该成果已发表在国际知名期刊《物理评论应用》（Physical Review Applied, 2023, 19, 014016）上。 （2）传统光镊只能实现平动自由度上的粒子操纵，与现实机械镊子相比缺少转动自由度上的操控。为了解决这一问题，我们构造了叠加Airy涡旋光场的光镊。研究表明，叠加Airy涡旋光场具有优异的自会聚性能，并且通过调控叠加数目和相应的光场参数可以实现灵活调节捕获性能。最重要的是，叠加Airy涡旋光场携带轨道角动量，可以实现对粒子的旋转操纵，并且我们可以通过调控拓扑电荷实现多粒子同时旋转以及旋转速度和方向的灵活调节。该成果已发表在国际知名期刊《物理评论A》（Physical Review A, 2023 107, 043501）上。 （3）光学技术应用常常受到应用场景带来的干扰，例如强散射和湍流扰动。为了抵抗这些干扰因素对光传输的影响，我们主要调控光场的相干性和利用光与物质相互作用的光学非线性以增强光传输效果。然而，这两种重要的光物理特性之间的联系并未得到充分探索。因此，我们构建了一种相干性可调的光场——部分相干Airy光场，并研究了该光场在不同光学非线性下的传输特性。研究表明，相干性和自聚（散）焦非线性对于光场传输的影响都可以定量化为两个指数衰减函数，两者相互平衡。基于此，我们可以设计出在两种影响平衡下的最优解光场，为光场的抗干扰传输提供了新的理论指导。该成果已发表在国际知名期刊《光学快讯》（Optics Express , 2023, 31, 22569）上。
应用前景
在我们的成果中，我们开发了一种光镊技术，它具有高光阱刚度（提供更强大的捕获力）和更低的对捕获对象的光损伤。该光镊可以灵活调节捕获力和捕获位置，使其能够在纵向上对多个区域进行捕获，并且这些区域的捕获性能都可以根据需求进行灵活调控。此外，它还支持粒子的转动操纵，提供了更多的操纵自由度。对于多粒子和大尺寸粒子的捕获，该光镊表现出优秀的捕获性能。同时，它还可以灵活调节捕获区域以及捕获力等捕获性能，使其适应不同的应用场景。我们还探索了相干性和光学非线性相互作用机制，发现相干性可以抵抗光学非线性的影响，为光场的增强传输提供了理论指导。此外，我们还定量表征了光场的传输性能，这对于光场的最优化设计具有指导意义。部分相干的结构光场同时具备了结构光场优异的传输特性和低相干性的高抗干扰能力，可以应用在复杂环境下的光学成像和光学镊子技术中。
成熟度
本成果实现了对光场传输和光捕获的多维度调控，通过光场调控的方法，可以抵抗光学技术应用中常见的干扰因素，例如强散射和湍流扰动。在实验室阶段，我们已经取得了比较成熟的研究成果，下一步可以将这些成果应用于实际中，根据生物医学等需求提供具体的光子学研究工具和相应方案。具体而言，本成果可以应用于生物医学领域中的光学成像和光操控技术。通过调控光场的传输和捕获特性，我们可以提高光学成像的清晰度和灵敏度，同时也可以实现对生物样品进行更加精准和高效的光操控。此外，本成果还可以应用于其他领域，例如光学通信、信息处理和量子计算等，提供更加可靠和高效的光子学方案和技术。为了实现本成果的实际应用，我们需要进一步优化和完善现有的实验方案和技术手段，同时还需要与相关领域的专家和学者进行合作和交流，共同推进本成果的应用进程。我们相信，在未来的研究和应用中，本成果将会发挥更加重要的作用，为推动光子学技术的发展和应用做出更大的贡献。
成果展示
图1 （第一行）叠加 Airy涡旋光场光镊对于多粒子的旋转操纵；（第二行）圆Pearcey Airy光场与圆Pearcey光场的捕获力性能对比；（第三行）部分相干Airy光场在不同相干性和光学非线性中的传输效果
成果完成人
物理科学与工程技术学院：梁毅
成果转化，请联系成果与合作处，联系人：刘老师，联系电话：0771-3272162。