新型光场调控技术已经在焦场调控、光学微加工、光学微操纵和光通信等领域取得了众多重要成果。提出了一种基于贝塞尔光束的复合光场调控方案，利用贝塞尔光束固有角谱和环形光阑的锐边衍射实现了远距离的超衍射极限聚焦。理论和实验结果表明，轴棱锥-透镜系统生成的局域空心光束经环形光阑产生锐边衍射，其高频成份得到增强，从而具有超衍射聚焦特性。该局域聚焦光场与周围旁瓣光场距离很远，有望应用于远场超分辨显微成像和光镊等领域。

设计了一种能够产生阵列局域空心光束的超表面透镜。该透镜基于几何相位原理,通过调整二氧化钛纳米单元的长宽比以及旋转角度能够实现对波前的精确控制。超表面在波长为632.8 nm的左旋圆偏振光照射下,能够产生多个微米级的局域空心光束,并且可以通过控制环形障碍物的尺寸来改变产生局域空心光束的数量。该超表面透镜也可以通过改变相对孔径值(RA)来控制局域空心光束的横向和纵向半峰全宽的尺寸,进而产生所需尺寸的阵列局域空心光束。

在传统的轴棱锥-透镜光学系统中,产生局域空心光束的入射光一般为圆高斯光束。随着局域空心光束的系统多样化和应用多样化,研究具有特殊形貌的初始光束对局域空心光束的调控有重要的意义。圆高斯光束被多边光阑调制为特殊形貌的多边形光束,经过轴棱锥-透镜光学系统后产生局域空心光束。利用不同多边光阑,包括正三角形、正方形及正六边形,调控光学系统中的光场分布,并通过理论研究和实验测量得到光阑后的衍射光场变化。结果表明,利用多边光阑调控光场,产生的局域空心光束具有多个局部缺失部分。这些缺口的形成,对于多粒子捕获和精准捕获具有潜在的应用价值。同时,也对局域空心光束的多功能应用具有重要意义。

太赫兹特殊光束具有独特的光场分布和衍射特性,在粒子操控、光学成像和光通信等众多领域都有着明显的发展优势。综述了近年来本课题组和其他科研团队在太赫兹特殊光束方面展开的部分研究,包括太赫兹贝塞尔光束、涡旋光束、艾里光束、瓶子光束和径向偏振光束,系统地阐述了这些光束的光场分布特征、衍射特性及其潜在应用前景,旨在探讨太赫兹特殊光束对未来太赫兹技术的推动作用。

为实现局域空心光束的可调谐性，以半导体激光器作为光源，采用贝塞尔光束聚焦法来获得局域空心光束。采用平凸柱透镜和梯度折射率透镜对光束进行整形，以获得发散角可变的激光束，进而得到尺寸可调谐的局域空心光束。数值模拟结果表明，当照射在轴棱锥上的光束发散角在0°~1.5°范围内连续变化时，局域空心光束的最大径向尺寸在90.23~64.05 μm之间可调谐，而局域空心光束的长度在1.85~1.47 mm之间变化。可调谐局域空心光束可显著增加光镊技术的应用灵活性。

为进一步完善多级无衍射光束的传输与变换理论, 拓展双级无衍射光束的应用范围, 根据轴锥镜法和菲涅耳衍射理论对双级无衍射光束的光场分布做了详细理论分析; 基于轴锥镜法搭建生成双级无衍射光束的实验平台, 获取了沿光轴传输至不同距离处的截面光斑及其光强分布, 探究了平行光束不同入射倾角对无衍射光束传输变换的影响.实验结果表明: 双极无衍射出射光场由四个区域组成, 在干涉重合区其光强为一、二级轴棱锥出射场的耦合叠加, 其余区域仍保持单级无衍射光束的传播特性, 其光强大小受轴棱锥透镜的入射光阑与透镜底角影响, 光斑破裂程度与平行光束的入射倾角呈正相关.本文对双极无衍射光束的空间传播特性、光强分布特性、光强影响因素等做了详细分析, 对拓展多级无衍射光束的应用具有指导意义.

首次使用了离散傅里叶方法数值分析局域空心光束。用离散傅里叶方法描述单色平面波产生局域空心光束(bottle beam)的光强分布, 引入色散公式使得一定频谱宽度的LED光源同样适用。讨论抽样要求并对变量进行离散化, 导出LED产生bottle beam的离散化傅里叶公式。最后代入相关参数并用MATLAB进行数值模拟, 得到了在不同距离处光束的强度分布。设计实验进行验证, 实验结果表明: 使用LED也能够产生高质量的bottle beam。数值模拟与实验结果基本吻合, 证明了采用傅里叶方法可以精确地分析非相干光源产生bottle beam, 并且相较于传统的标量衍射理论, 它更加简洁、快速, 是研究bottle beam的一种全新又可靠的方法。

根据相移切趾器原理设计了七环π相移切趾波带片,准直光束经波带片与透镜聚焦后产生局域空心光束。理论上根据标量衍射理论研究局域空心光束的光场分布,并对其光强分布进行仿真,证明光束的三维“密闭性”。实验中基于空间光调制器与透镜相位得到暗斑最大半径为50.4 μm的局域空心光束,且光强为零,其实验结果与理论分析基本吻合。