新版项目名称： 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。
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 名精心整理新版有深厚的积累 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。