中文摘要：

相对于径向偏振光束和切向偏振光束等柱矢量光束，高级次轴对称偏振光束具有更大的偏振自由度和更丰富的偏振分布形式，因此具有一些更独特的光学特性和应用价值。本课题将对高级次轴对称偏振光束的宽波段生成方法、光学特性及应用进行系统研究。在深入分析亚波长光栅进行光束偏振态调控的机理的基础上，研究在可见光及近红外波段利用亚波长光栅宽波段生成高级次轴对称偏振光束的方法，该方法具有性能稳定、结构紧凑、易于光学集成及高能量转换效率等优点，并可灵活应用于宽波段或多波长的光学系统。完成亚波长光栅器件的结构设计及制作，测试生成光束的光学特性，并在此基础上，理论并实验研究生成光束的传播与聚焦特性，探索该类型光束的应用价值。以光学捕获为例，研究高级次轴对称偏振光束与微粒相互作用的机理及实现光学捕获的方法，建立理论模型，设计系统性的实验方案并进行初步实验验证。

结论摘要：

相对于径向偏振光束和切向偏振光束等柱矢量光束，高级次轴对称偏振光束具有更大的偏振自由度和更丰富的偏振分布形式，因此具有一些更独特的光学特性和应用价值。课题对高级次轴对称偏振光束的宽波段生成方法、光学特性及应用进行了系统深入研究，取得了一定的研究成果。首先，基于亚波长金属光栅的偏振分束特性，提出了利用分块亚波长金属光栅在较宽波段内生成高级次轴对称偏振光束的方法；基于严格耦合波理论，探究了该类型光栅实现高消光比和透射率的物理机制，完成了器件结构优化设计、制作和实验测试，结果表明该类型器件生成的高级次轴对称偏振光束具有非常高的偏振纯度，实现方法灵活，器件集成度高，性能稳定。并研究了基于猫眼腔激光器和马赫-曾德干涉仪结构通过光束模式叠加生成高级次轴对称偏振光束的方法，进行了理论研究和实验验证。其次，基于矢量衍射理论研究了高级次轴对称偏振光束的传播及聚焦特性。推导了几种不同情况下聚焦场的数学表达式，包括相位均匀、涡旋相位分布、经过媒质界面聚焦以及在金属表面激发表面等离子体场等情况，计算了聚焦场的空间分布，完成了初步实验验证，因为更为零活的偏振及相位分布，高级次轴对称偏振光束在高数值孔径聚焦的情况下具有一些独特的聚焦特性，例如具有多个超小聚焦光斑、通过调控涡旋相位分布可调控聚焦光斑的形状等等。最后，研究了高级次轴对称偏振光束在粒子捕获、显微成像、材料加工等领域的应用。研究了两种利用高级次轴对称偏振光束进行近场与远场捕获的方法，计算了辐射力的空间分布，搭建了光镊系统，完成了初步实验，验证了方法的可行性；研究了高级次轴对称偏振光束实现并行共焦显微成像的基本方法，计算了显微成像光场的空间分布，并分析了影响成像性能的多种因素，为实际应用提供了技术指导；同时，还基于聚焦整形技术，实现了特殊分布的轴对称偏振光束聚焦场分布，并探讨了这些光场分布在材料加工方面的潜在应用价值。截至到目前，共发表学术论文20篇，专利12项，软件著作权4项，培养硕士研究生4人。研究工作推动了矢量光束技术的发展与应用，在某些核心技术上掌握了自主知识产权，将为我国在相关领域的进一步发展提供一定支持。