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飞秒激光凭借其超短脉宽和极高峰值功率,在微纳加工中发挥了重要的优势,而飞秒激光的加工效率制约其在工业领域的应用。近年来,研究者成功将空间光调制器应用于飞秒激光加工,实现飞秒激光加工效率和灵活性的进一步提高。本文综述了近年来硅基液晶空间光调制器在飞秒激光加工领域的研究进展,主要包括多焦点并行加工、结构光场并行加工和矢量光场加工,分析了三种方法的优势和不足。并从光场均匀性和衍射效率两个方面,讨论了近年来对光场质量的研究。最后探讨了该领域目前存在的问题,并对未来提出了展望。

具有偏振结构分布的强激光与非线性光学材料相互作用导致了多种新颖的非线性光学效应，反映了材料的非线性光学特性，调制了光场的传播行为。笔者概述了矢量光场激发三阶非线性光学效应的研究进展。首先简要介绍了任意偏振光激发三阶非线性光学效应的理论，如非线性薛定谔方程、光束传播方程、各向同性和各向异性三阶非线性光学系数。也简要介绍了表征三阶非线性光学系数的 Z-扫描技术。在弱聚焦条件下，给出了诸如径向偏振光、杂化偏振光和柠檬型庞加莱光束这三种类型矢量光场的焦场表达式。其次，重点回顾了多种矢量光场激发的各向同性/各向异性三阶非线性光学效应，包括径向偏振光激发的各向异性非线性光学效应、杂化偏振光激发的各向同性和各向异性非线性光学效应、柠檬型庞加莱光束激发的各向同性/各向异性非线性光学效应。最后，简要讨论了矢量光场在非线性偏振旋转、光束整形、可控光场塌缩与成丝和光限幅方面的应用。

延迟器作为改变光信号偏振态的一种重要光学器件, 具有高偏振变换精度、低成本、算法简单等特点, 利用一个1/4波片和一个1/2波片组合可实现对径向矢量光场偏振调制的新方法, 采用Jones矩阵算法分析了双波片的调制机理, 将光场的偏振演化规律在庞加莱球上表示, 并通过实验验证理论分析的正确性, 研究结果表明: 双延迟器结构可实现对径向矢量光场的复杂偏振调控, 并获得光强均匀分布、偏振态有规律分布的矢量光束。

复杂空间结构矢量光场是当前光场调控领域的重要研究内容。作为一类基于椭圆坐标系的本征激光场,Ince-Gaussian(IG)光场比Laguerre-Gaussian和Hermite-Gaussian两类本征光场具有更丰富的空间自由度,是构建复杂空间结构矢量光场的基本光场之一。基于正交偏振IG偶模和奇模的空间叠加理论,通过空间光调制器分离调控偶模和奇模光场,系统地研究了不同阶数下正交偏振IG模式叠加生成的不同空间结构的IG矢量光场。对获取的矢量光场进行分析,并与理论模拟的结果进行对比,验证了并联分离调控产生IG矢量光场的可行性。

光纤结构光场作为光场调控的一个重要分支,逐渐引起了研究者们的广泛关注。首先基于光纤矢量模式理论,讨论了光纤中具有空间偏振/相位奇异特性的结构光场的产生机理;然后,介绍了光纤结构光场的产生方法,如长周期光纤光栅耦合法、光纤端面微结构法和轨道角动量转换法等;最后,介绍了光纤结构光场在超分辨成像、涡旋光通信、等离子针尖纳米聚焦和非线性频率转换等方面的一些典型应用。

结构光场是一类对光波空间结构进行剪裁的特殊光场。广义的结构光场包括具有空间变化的幅度、相位、偏振分布和空间阵列分布的光场。结构光场因其独特性而在光学操控、显微、成像、计量、传感、非线性光学、天文学、量子科学和光通信等领域获得了广泛应用。基于结构光场的光通信技术包括复用通信和编译码通信。本文回顾了结构光场编译码通信的研究进展,全面综述了结构光场的产生方法以及不同空间模式(轨道角动量模式、无衍射贝塞尔模式、线偏振模式、矢量模式、空间阵列)、不同编码方式(直接模式编码、高速映射)和不同应用场景(光子芯片、自由空间、光纤)的结构光场的编译码通信,并对其未来发展趋势进行了分析和展望。结构光场编译码通信开发了光场空间域维度资源,有望为解决光通信新容量危机和实现光通信可持续扩容提供潜在的解决方案。

复杂光场通常是指相位、振幅和偏振等具有特殊分布的结构光场,包括以轨道角动量模式为代表的涡旋光场和以偏振态非均匀分布的矢量光场。利用复杂光场构建多维复用光纤通信系统已成为空分复用光通信技术的研究热点。介绍了通过光纤实现复杂光场产生、调控、传输的方法;简述了新型环形纤芯光纤在低复杂度、短距模式复用光纤通信系统中的应用;介绍了基于Q玻片的短距直接检测矢量模式复用光纤通信系统实验;简要分析了光纤光栅耦合模式转换法,以及利用少模光纤实现一阶和二阶轨道角动量模式的产生方案;同时介绍了利用一维和二维周期渐变相位光栅测量涡旋光场特性的技术方案。光纤损耗和模式串扰是限制基于复杂光场的模式复用光纤通信系统性能的关键因素;基于光纤产生和调控高阶复杂光场仍然具有很大的挑战性。复杂光场模式复用技术作为一种基于光纤本征模式的复用技术,与其相关的研究在未来超大容量模式复用光纤通信系统中具有重要的研究意义和潜在的应用价值。

概述了矢量光场的基本理论及常见的生成方法,详细介绍了基于空间光调制器的矢量光场生成系统及性能改善方法。回顾了强聚焦下的矢量衍射理论,重点介绍了激光焦场强度分布、偏振指向及自旋指向的定制方法;介绍了定制焦场在显微成像、定向耦合等方面的应用。

完美涡旋光场模式的单一性难以满足其在多种领域的应用需求。为解决该问题,提出了一种同心矢量完美涡旋模式,其光强分布为一族同心的矢量完美涡旋,各环矢量完美涡旋的性质得到了验证。研究发现,每个完美涡旋的光环大小、偏振阶数等特征参数相互独立。对同心矢量完美涡旋模式光环叠加的实验表明,与标量完美涡旋光束叠加不同,矢量叠加产生的子涡旋会在特定位置消失,原因是两光环在该位置偏振正交。该研究极大地丰富了完美涡旋的模式分布,拓宽了完美涡旋在微操纵、光通信等领域的潜在应用。

作为光的一个基本属性,偏振态提供的自由度对光场调控具有重要作用。具有空间结构偏振态分布的矢量光场因其具有不同于传统标量光场的独特性质而被应用于诸多领域,但矢量光场的早期研究主要集中于柱对称的局域线偏振矢量光场。近年来,偏振态分布更加丰富的新型矢量光场逐渐得到关注,这些新型矢量光场的出现丰富了矢量光场的种类并提供了新的调控自由度,被应用于焦场调控、光学微加工、光学微操纵和光信息传输等领域。综述了近年来出现的新型矢量光场,包括柱坐标系中的杂化偏振矢量光场、庞加莱球相关的矢量光场、阵列矢量光场、多奇点矢量光场和其他非柱对称的矢量光场,介绍了其进展、设计方案、实验生成、性质和相关应用。