封面论文 | 多模态矢量光场的三维空域调控

本文概述了近年来三维多模态矢量光场的研究进展与相关空域调控方案，第一部分简要总结了偏振椭圆、斯托克斯参量与庞加莱球三种基本偏振态表征方法，介绍了几种近年来根据实际应用需求提出的几种新型庞加莱球，这类几何表示丰富了偏振态表征手段与物理内涵。如图1所示，其上不同点对应不同类型的偏振态分布。第二部分简要介绍了几种近年来提出的旨在提高生成效率、实现装置紧凑化的新型腔外矢量光束生成方案，这些方案都基于正交偏振基矢的相干叠加原理，根据核心调控元件的尺寸与调控特性不同，可实现不同尺度下的偏振态操控：利用数字化电控元件空间光调制器可实现微米量级的偏振态调控；利用超表面则可实现纳米尺度的偏振态控制，如图2所示。论文第三部分较为完整地概述了三种对三维空域多模态矢量光场进行调控的原理和技术：傅里叶相移法、轴上光强与相位调控法以及三维焦线轨迹调控法。三种方法皆要求参与光场合成的正交偏振基矢光束在调控区域始终满足共线合束条件，分别适用于不同类型的目标光场。傅里叶相移法一般针对多个互不干扰的独立目标平面如图3(a)所示，轴上光强相位调控法适用于贝塞尔等具有传播不变性质的光束如图3(b)所示，而三维焦线轨迹调控法的应用前提则是需要已知目标焦线结构分布的参数方程如图3(c)所示。为了满足更多的实际应用需求，在适合条件下可将傅里叶相移法分别与其余两个调控方案配合使用。论文第四部分回顾了多模态矢量场在光学微操纵中的应用进程，强调了进行三维矢量场多模态调控的重要性，并展望了后续值得研究的方向。尤其是如图4所示的、具有拓扑结构的特殊矢量光场，有望成为光场调控研究重点关注的领域。文章最后对全文进行总结。

图1 偏振态在经典庞加莱球与新型庞加莱球上的表示

图2 基于空间光调制器实现微米尺度光场偏振态调控与利用超表面实现纳米尺度偏振态控制的新型矢量光场产生方案 

图3 三种常用三维空域多模态矢量场调控方法的原理示意

图4 具有典型拓扑结构的矢量光场：莫比乌斯带 (Möbiusstrip)与三叶结(trefoil knot)

南京大学固体微结构物理国家重点实验室/物理学院光场调控与应用实验室，现有教授3人。研究方向主要涉及光场调控、信息光子学、非线性光学、光学微操纵、新型激光器件等。团队先后承担了国家自然科学基金委重点项目、国家863项目、国家973项目、国家重点研发计划等国家重大项目。

高源 (第一作者)，南京大学物理学院物理学博士研究生，导师丁剑平教授。本科毕业于南开大学物理科学学院，硕士毕业于南京大学物理学院。主要研究方向为矢量光场调控与光学微操纵，硕士与博士就读期间参与了“空域分形光场的调控、新效应及其潜在应该用”、“三维矢量光场的生成、调控、效应及其应用的研究”等多个国家重点研发项目，以第一或第二作者身份发表SCI论文5篇。

丁剑平（通讯作者），南京大学教授，博士生导师，全国高校光学教学理事会副理事长。主要研究领域为信息光子学，研究兴趣包括：光场调控及其应用、光学微操纵、光学干涉计量、衍射光学与数字全息，先后主持和承担国家自然科学基金重点及面上项目、国家973项目、国家重点研发计划等项目，发表SCI论文100余篇。

王慧田（通讯作者），南京大学教授，博士生导师，教育部“长江学者奖励计划”特聘教授，2003年国家杰出青年基金获得者。长期从事光场调控、非线性光学和激光器件等以及计算物理方面研究。先后获教育部自然科学奖一等奖，国家自然科学奖二等奖，北京市科学技术奖二等奖，国家级教学成果奖二等奖，天津市级教学成果奖一等奖，中国高等学校十大科技进展，中国光学重要成果奖等奖项。曾任第六、七届国务院学科评议组成员等。现任中国光学学会监事、《Chinese Physics Letters》副主编、中国光学学会微纳光学专业委员会副主任委员。先后主持国家自然科学基金委重点项目、国家863项目、国家973项目等国家重大项目。在Physical Review Letters, Physical Review X, Optica, Nature Physics, Nature Chemistry, Science Advances, Optics Letters, Applied Physics Letters, Physical Review系列等国际性重要学术刊物上发表论文300余篇，获授权国家发明专利20余项。