光場調(diào)控

1、項目名稱：光場調(diào)控及與微結(jié)構(gòu)相互作用研究首席科學(xué)家：王慧田南開大學(xué)起止年限：2012.1至2016.8依托部門：教育部天津市科委一、關(guān)鍵科學(xué)問題及研究內(nèi)容擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題：針對前沿科學(xué)問題、關(guān)鍵技術(shù)以及國家重大需求，以現(xiàn)有工作積累為基礎(chǔ)，集中有限目標(biāo)、深入開展具有重大科學(xué)意義和原始創(chuàng)新的工作。目前，開展激光與相關(guān)應(yīng)用研究，所用激光絕大多數(shù)為具有均勻偏振態(tài)分布的標(biāo)量光場。本項目集中深入開展空間結(jié)構(gòu)光場相關(guān)研究，不僅具有重大科學(xué)意義，而

2、且有望為下一代信息技術(shù)的發(fā)展提供一條新途徑，具有前瞻性和迫切性。光場調(diào)控、光場與微結(jié)構(gòu)相互作用以及與電子態(tài)耦合的調(diào)控，以及在超分辨成像等方面應(yīng)用的探索是密不可分的一個整體。本項目擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題如下：關(guān)鍵科學(xué)問題1：空間結(jié)構(gòu)光場的基本問題；光場調(diào)控的新原理和新技術(shù)光場空域調(diào)控涉及偏振態(tài)、位相和振幅以及多參量聯(lián)合調(diào)控。尤其是偏振態(tài)調(diào)控自由度的引入以及新穎動量和角動量的出現(xiàn)，使得空間結(jié)構(gòu)光場具有許多新穎性質(zhì)。揭示空間結(jié)構(gòu)光場的時空演化規(guī)

3、律，發(fā)展描述空間結(jié)構(gòu)光場的理論框架。在此基礎(chǔ)上，打破單一參量調(diào)控的局限，提出多參量聯(lián)合調(diào)控的新原理和新技術(shù)。關(guān)鍵科學(xué)問題2：空間結(jié)構(gòu)光場的焦場工程；不同空間尺度光場與微結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)理具有不同空間尺度和新穎特性的焦場設(shè)計與控制，主要針對縱向場增強(qiáng)、新穎動量和角動量；具有新穎角動量聚焦場的力學(xué)效應(yīng)及其在微操縱中的應(yīng)用。新型光場與物質(zhì)非線性相互作用的全矢量耦合波理論，尤其關(guān)注空間結(jié)構(gòu)光場的時間反演問題。新穎動量和角動量以及縱向場對空間結(jié)構(gòu)光

4、場與微結(jié)構(gòu)材料相互作用的影響。偏振態(tài)和位相的空間結(jié)構(gòu)與微結(jié)構(gòu)材料的空間結(jié)構(gòu)相互作用與耦合問題。關(guān)鍵科學(xué)問題3：具有新穎動量和角動量的光場與微結(jié)構(gòu)中電子態(tài)耦合；空間關(guān)聯(lián)光量子態(tài)具有新穎動量和角動量的光場與微結(jié)構(gòu)中電子態(tài)耦合的機(jī)理，及其動量和角動量守恒等基本物理問題；空間結(jié)構(gòu)光場所具有的新穎偏振態(tài)分布特性、新穎角動量和強(qiáng)縱向場，對激發(fā)輻射過程的控制；空間結(jié)構(gòu)光場與微結(jié)構(gòu)相互作用所致的空間關(guān)聯(lián)光量子效應(yīng)的基本物理問題；空間關(guān)聯(lián)光量子態(tài)與微結(jié)構(gòu)

5、材料空間結(jié)構(gòu)的相互作用機(jī)理。關(guān)鍵科學(xué)問題4：極小空間尺度光場產(chǎn)生的原理與表征技術(shù)；極小空間尺度光場與電子態(tài)耦合遠(yuǎn)場極小空間尺度光場生成的新原理與新技術(shù)、物理描述、表征技術(shù)以及實驗構(gòu)建(包括偏振態(tài)、位相與振幅空間分布)。發(fā)展遠(yuǎn)場極小空間尺度光場與小量子體系作用的基本理論。遠(yuǎn)場極小空間尺度光場對微結(jié)構(gòu)物體和小量子體系的超分辨成像技術(shù)。提高近場光學(xué)成像系統(tǒng)的效率與空間分辨能力的新原理與新技術(shù)。主要研究內(nèi)容:圍繞上述四方面擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題，

6、擬深入開展如下四個方面研究。研究內(nèi)容1:空間結(jié)構(gòu)光場的基本問題、調(diào)控機(jī)理和制備技術(shù)(1)空間結(jié)構(gòu)光場的基本問題和時空演化。揭示光場的空間結(jié)構(gòu)對調(diào)控機(jī)理和光場特性的影響規(guī)律。鍵技術(shù)。培養(yǎng)一支具有高科學(xué)素養(yǎng)、開拓精神、創(chuàng)新意識、思維活躍、立足國內(nèi)量子調(diào)控研究領(lǐng)域的科技人才，保證國家量子調(diào)控研究的可持續(xù)、高水平發(fā)展。五年預(yù)期目標(biāo):(1)闡明光場的空間結(jié)構(gòu)對調(diào)控機(jī)理和光場特性的影響規(guī)律，發(fā)展描述空間結(jié)構(gòu)光場及其時空演化的基本理論；建立具有新穎動

7、量和角動量的空間結(jié)構(gòu)光場創(chuàng)建的可控關(guān)鍵技術(shù)。(2)發(fā)展和完善光場空間調(diào)控的焦場理論，提出具有新穎動量、角動量和縱向場的焦場調(diào)控方案；建立具有不同空間尺度的連續(xù)波和飛秒焦場控制技術(shù)；實現(xiàn)空間結(jié)構(gòu)光場對微粒的操控，探索在空間微重力環(huán)境下對微小目標(biāo)的驅(qū)動。(3)建立空間結(jié)構(gòu)光場與微結(jié)構(gòu)材料非線性相互作用的全矢量耦合波理論；解決偏振態(tài)和位相的空間結(jié)構(gòu)與微結(jié)構(gòu)材料空間結(jié)構(gòu)的相互作用與耦合問題，建立相應(yīng)的位相匹配條件；發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象和新效應(yīng)，揭示新穎動

8、量、角動量和縱向場參與的非線性相互作用機(jī)理。(4)針對具有新穎角動量、縱向場和空變偏振態(tài)的新型光場，研究其與微結(jié)構(gòu)相互作用及與電子態(tài)耦合的量子效應(yīng)；探討空間關(guān)聯(lián)光量子態(tài)的基本物理問題；提出在單分子探測和電子操控等應(yīng)用上的新原理和新方法。(5)建立遠(yuǎn)場極小空間尺度光場的生成與表征技術(shù)；揭示極小空間尺度光場與小量子體系電子態(tài)耦合的物理機(jī)制；發(fā)展具有納米空間分辨率的遠(yuǎn)場超分辨成像的新原理和新技術(shù)。(6)做出高水平研究成果，在高水平和有影響力的