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，以及在超分辨成
2、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，主要针对纵向场增强、新颖动量和角动量；具有新颖角
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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表征技术，通过偏振态、位相和振幅的控制以及与微结构耦合，制备纳米尺度的远场超衍射极限光场。 (3) 建立极小空间尺度光场与小量子体系相互作用的基本理论框架，理论和实验研究光场的参量对小量子体系的调控。 (4) 远场极小空间尺
8、度光场对微结构物体和小量子体系的超分辨成像技术。 二、预期目标 总体目标: 本项目以“光场调控及与微结构相互作用”为重点开展研究。 揭示空间结构光场的调控机理；发展描述空间结构光场及其时空演化的基本理论；掌握具有新颖动量和角动量的空间结构光场创建的关键技术；针对不同空间尺度，发展和完善焦场工程的可控技术；建立极小空间尺度光场表征理论和技术；在上述基础上，揭示空间结构光场与微结构线性/非线性相互作用、及其与电子态耦合的新现象、新效应和新机理；研究空间关联光量子态；研制功能量子器件雏形；探讨驱动空间微小目标的机制和可行性；建立和完善超分辨成像技术。期望本项目研究成果为太赫兹波、微波、X 射线、电子
9、束和物质波等的调控起到一定的借鉴和推动作用。 在科学研究平台、队伍建设及总体水平方面，通过本项目的实施，期望在空间结构光场、及其与微结构的耦合效应调控等方面，探索出一条调控光场的新途径；使得光场调控研究在国际上占有一席之地，在一些方向上达到国际前沿地位。取得一批高水平成果，发表一批具有原创性和重要国际影响的学术论文，掌握自主知识产权的关键技术。培养一支具有高科学素养、开拓精神、创新意识、思维活跃、立足国内量子调控研究领域的科技人才，保证国家量子调控研究的可持续、高水平发展。 五年预期目标: (1) 阐明光场的空间结构对调控机理和光场特性的影响规律，发展描述空间结构光场及其时空演化的基本理论；建
10、立具有新颖动量和角动量的空间结构光场创建的可控关键技术。 (2) 发展和完善光场空间调控的焦场理论，提出具有新颖动量、角动量和纵向场的焦场调控方案；建立具有不同空间尺度的连续波和飞秒焦场控制技术；实现空间结构光场对微粒的操控，探索在空间微重力环境下对微小目标的驱动。 (3) 建立空间结构光场与微结构材料非线性相互作用的全矢量耦合波理论；解决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与耦合问题，建立相应的位相匹配条件；发现新现象和新效应，揭示新颖动量、角动量和纵向场参与的非线性相互作用机理。 (4) 针对具有新颖角动量、纵向场和空变偏振态的新型光场，研究其与微结构相互作用及与电子态耦合
11、的量子效应；探讨空间关联光量子态的基本物理问题；提出在单分子探测和电子操控等应用上的新原理和新方法。(5) 建立远场极小空间尺度光场的生成与表征技术；揭示极小空间尺度光场与小量子体系电子态耦合的物理机制；发展具有纳米空间分辨率的远场超分辨成像的新原理和新技术。 (6) 做出高水平研究成果，在高水平和有影响力的国际学术期刊上发表论文不少于 100 篇。关注具有原始创新的关键技术的知识产权保护，申请发明专利 15 项。培育一支在本领域有重要影响的研究队伍，培养博士和硕士生 80 名。有深厚的积累。基于自身的优势和前期积累，并结合国家需求，选择了“光场调控及与微结构相互作用”作为本项目的重点，开展研
12、究工作。根据研究内容，围绕关键科学问题，设置四个课题： 课题一、空间结构光场的调控机理、生成技术和新颖性质 课题二、空间结构光场与微结构的线性和非线性耦合效应 课题三、新颖动量和角动量光场与微结构相互作用的量子效应课题四、极小空间尺度光场与微结构耦合及其超分辨成像应用 本项目四个课题的设置以“光场调控”为主线，贯穿整个项目，凝炼关键科学问题。光场调控主要涉及时域和空域调控。对时域调控，国内外已开展了深入研究，并取得了重大进展。本项目集中有限目标，重点开展光场的偏振态、位相、振幅以及多参量联合的空域调控，及其与微结构相互作用以及与电子态耦合等相关研究。在时域方面，仅关注将光场空域调控的新原理、新
13、方案和新技术，拓展至飞秒激光，重点解决脉冲展宽问题。 本项目课题设置，紧紧围绕“光场调控以及与微结构耦合效应调控”这一主题确定研究内容、凝炼关键科学问题。关键是调控具有新颖性质的空间结构光场；重点关注其与微结构耦合调控的新原理和新技术，发现新效应和新现象，揭示物理机理和诠释深刻内涵；重点突破远场超分辨成像和对微结构中电子态的调控，为量子调控提供新的思路。 设置课题一作为项目整体的基础和各个课题的纽带。其一，阐明空间结构光场的基本物理问题，诠释时空演化规律，发现新效应和新现象；其二，揭示光场空域调控的新原理和发展新技术；为其它课题顺利展开提供理论、实验和技术支持。课题二以课题一为基础，以期实现不
14、同空间尺度焦场的调控；研究新颖的焦场特性(新颖角动量和纵向场分量 )及其与微结构线性和非线性相互作用的新现象、新效应和新机理。在课题一和课题二对新型空间结构光场的深入理解基础上，课题三重点关注具有新颖动量和角动量光场与微结构中电子态相互作用所致的量子效应；课题四重点关注极小空间尺度光场的控制及其与电子态的耦合，以远场极小空间尺度光场对电子态的调控和超分辨成像为突破。 可以发现，课题一是整个项目的基础和纽带；课题二是课题一的延伸和拓展，侧重研究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；课题三既是将前面两个课题关于空域调控光场的基础研究成果，向量子效应拓展的必要环节，也是对课题四的重要
15、补充和交叉；课题四则着重关注远场极小空间尺度光场的控制及其与电子态的耦合，是前面三个课题走向应用的重要实践。因此，本项目设置的四个课题既各自具有自身的关键科学问题和目标，又相互关联，构成一个有机的整体。 四、年度计划 研究内容 预期目标 第 一 年 1、研究空间结构光场的时空演化规律，及其新颖的几何位相和光学霍尔效应；研究轴对称飞秒空间结构光场的生成方案 2、基于矢量衍射理论，构建空间结构光场的聚焦模型，研究空间结构光场与微结构的线性耦合，以及与各种体材料的非线性相互作用规律 3、研究具有新颖动量和角动量的空间结构光场与微结构中电子态的耦合；探讨基于空间结构光场的空间关联光量子态 4、开展近场
16、光学系统光强透过率提升的优化工作，初步研究远场小尺度光场的产生与表征新原理与新技术 1、初步建立起空间结构光场的理论；生成轴对称飞秒空间结构光场，对其光场特性进行调控 2、揭示出不同结构光场的聚焦规律；建立新型光场偏振态和位相的空间结构在微结构中的耦合理论；揭示出角动量和纵向场导致的新现象和新效应 3、揭示空间结构光场所具有的新颖偏振态分布、新颖角动量和强纵向场与微结构中电子态的耦合机理；发现空间结构光场的空间关联光量子态的若干独特性质 4、小尺度光场产生的实验装置取得重要进展，实现近场极小空间尺度光场高效耦合和精确测量；建立极小尺度光场的理论描述方法 第 二 年 1、通过调控光场的偏振态和位
17、相等，研究生成具有新颖动量与角动量的空间结构光场新方案 2、研究实现纵向场增强新方案；研究具有不同对称性或周期性微结构对光波的线性调制；研究具有新型空间拓扑结构的光孤子形成规律和传输特性 3、研究空间结构光场及空间关联光量子态与微结构材料空间结构及其中电子态的相互作用； 揭示对诸如电子跃迁和弛豫过程、激发态布居等特性的影响 1、对光场的偏振、位相和振幅进行调控，制备具有新颖动量和角动量的空间结构光场 2、建立具有新颖特性（尤其是纵向场增强）的焦场调控新技术；阐明空间结构光场与微结构线性相互作用所引起的新现象和新效应，以及其物理机理 3、解决基于空间结构光场的量子调控中动量与角动量守恒等关键物理
18、问题; 发现新的量子现象, 并揭示其物理机制；提出空间结构光场在调控电子跃迁和弛豫过研究内容 预期目标 4、深入开展小尺度光场的产生方法、表征技术实验研究，以及极小尺度光场的优化产生方案。研究小尺度光场与小量子体系的相互作用理论 程、激发态布居等应用上的新机制；实现对激发/辐射过程的控制 4、建立较完善的实验装置和测量手段，制备出纳米尺度的远场超衍射极限光场 5、完成项目中期研究进展报告 第 三 年 1、研究多参量联合调控和轴对称破缺空间结构光场的偏振态、位相和振幅的时空演化规律2、建立微粒在空间结构光场中所受辐射力和力矩的理论模型，探讨微粒的光驱动机制；研究空间结构光场与微结构线性相互作用过
19、程中的演化理论 3、研究光场与微结构的多重耦合机理；研究新的量子效应；实现空间结构光场对光场激发/辐射过程的控制 4、系统开展远场小尺度光场的产生与表征，系统发展极小尺度光场与小量子体系的相互作用理论 1、阐明基于偏振、位相和振幅的光场多参量联合调控及对称破缺的空间结构光场的机理，揭示其传输与演化规律 2、完成微粒在光场中受力的计算方法，阐明焦场空间结构对微粒操纵的影响；提出周期性光学微结构对空间结构光场调控新方法 3、提出光场与微结构的多重耦合机理；发现空间关联光量子态与微结构材料空间结构及其中电子态相互作用的新量子效应；提出实现对光场激发/辐射过程的控制方案，以及在单分子探测等应用 4、在
20、远场小尺度光场的产生与表征，及其与小量子体系相互作用理论方面取得重要的实验与理论成果，阐明与电子态的耦合机制 第 四 年 1、研究新颖空间结构光场的自旋-轨道角动量、轨道-轨道角动量耦合理论；研究空间结构光场的动量和角动量操纵方案 2、分析计算复杂形状和复杂结构粒子在新型空间结构光场中所受辐射力和力矩；研究在非线性光学周期微结构中空间拓扑结构光场受光子带隙、布拉格反射及缺陷1、提出分析空间结构光场的自旋-轨道角动量、轨道-轨道角动量耦合的有效理论和方法；掌握光场动量和角动量耦合及操控的关键技术 2、实现对光力和光扭矩的控制；探索可在光学周期微结构中稳定传输的空间拓扑结构光场模式，并提出相应的调
21、控方法 研究内容 预期目标 态的调控作用 3、开展量子双缝等实验，,研究空间关联光量子态的基本物理问题；研究与电子态耦合的量子现象的物理机制，以及与微结构材料空间结构的相互作用 4、从实验上研究极小尺度光场与小量子体系或原子的高里德堡态的激发过程，研究其相互作用的物理机制及的量子光学特性 3、开展空间关联光量子态的量子双缝等实验展示，解决若干基本物理问题；展示若干量子现象，揭示其物理机制；展示在单分子探测和电子操控等潜在应用上的新原理和新方法；提出空间关联光量子态与微结构材料空间结构的若干相互作用特性 4、在极小尺度光场与量子体系相互作用方面获得比较清晰的物理理解，发展量子调控的新方法和新原理
22、 第 五 年 1、深入研究空间结构光场的生成及调控理论，研制可用于生成连续波和飞秒空间结构光场关键器件 2、搭建空间微操纵系统，实验研究新颖的焦场与微粒相互作用的新效应；设计制作周期微结构，并研究新型光场作用下具有低阈值和快速响应时间的全光开关 3、完善非线性微结构设计理论；展示基于空间结构光场的关联量子效应；提出新的量子态调控方案,及单分子探测和电子操控等应用上的新原理和新方法 4、研究极小尺度光场的超分辨成像，系统发展极小尺度光场与小量子体系的相互作用理论，总结所有理论实验研究成果，系统完善极小尺度光场的量子光学效应 1、争取建立和发展较为完善的空间结构光场的理论描述体系，研制出生成或调控连续波及飞秒空间结构光场的关键器件 2、开发空间微操纵装置，探讨在生物医学和材料化学等领域的应用；实现具有低阈值和快速响应时间的全光开关 3、实现对微结构和小量子体系的超分辨成像 4、提出并实现若干微结构的设计与制备；原理性展示关联量子效应；提出若干量子态的调控方案；实验上展示在单分子探测和电子操控等应用上的新原理和新方法 5、完成项目结题报告
