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文檔簡(jiǎn)介
1、自第一臺(tái)紅寶石激光器于1960年問世以來,人們從理論和實(shí)驗(yàn)上對(duì)激光光束的傳輸展開了廣泛而深入的研究,并得到了各種各樣的激光光束,如:高斯光束、厄密高斯光束、拉蓋爾高斯光束、因斯(Ince)高斯光束等,每一種光束因其自身的特點(diǎn)以及傳輸系統(tǒng)的差異而有不同的用途。自由空間中的非傍軸光束和強(qiáng)非局域非線性介質(zhì)中的高階模高斯光束的傳輸研究是激光物理及激光應(yīng)用中的基本課題。該項(xiàng)研究有利于人們對(duì)光束傳輸?shù)幕拘再|(zhì)及其規(guī)律更加廣泛而全面地理解,對(duì)實(shí)際應(yīng)用
2、如光開關(guān)、邏輯門等研究具有理論指導(dǎo)意義。
孤子是物理學(xué)中重要的非線性現(xiàn)象之一,存在于多個(gè)物理學(xué)領(lǐng)域,如:流體力學(xué)、凝聚態(tài)物理學(xué)、非線性光學(xué)、等離子體物理學(xué)等??臻g光孤子(spatial optical soliton)又稱為自導(dǎo)光束,是因?yàn)檠苌湫?yīng)與非線性效應(yīng)(如自聚焦效應(yīng))達(dá)到平衡,所以光束能夠保持穩(wěn)定、自導(dǎo)傳輸。這種誘導(dǎo)孤子波導(dǎo)可以用來引導(dǎo)信號(hào)光,從而進(jìn)行光控制光,實(shí)現(xiàn)光子開關(guān)和光子邏輯門等光子信息處理。因?yàn)榭臻g光孤子
3、在全光控制技術(shù)、光子信息處理和全光通信技術(shù)中具有潛在應(yīng)用價(jià)值,所以近20年來引起人們大量的關(guān)注。
本論文主要研究自由空間中的非傍軸光束和強(qiáng)非局域非線性介質(zhì)中的高階模高斯光束的傳輸。本文在綜述自由空間中的非傍軸光束和非線性介質(zhì)中的光束傳輸理論和實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,對(duì)自由空間中的非傍軸光束傳輸特性,以及強(qiáng)非局域非線性介質(zhì)中的高階模高斯光束的傳輸進(jìn)行了比較深入地研究。
在研究光束在自由空間中的非傍
4、軸傳輸特性時(shí),從以下四方面著手:
首先,從矢量麥克斯韋(Maxwell)方程出發(fā),利用多重尺度奇異攝動(dòng)方法研究了自由空間中光束的非傍軸傳輸特性。得到了任意偏振電磁波的橫向場(chǎng)和縱向場(chǎng)滿足兩方程,這兩個(gè)方程甚至對(duì)強(qiáng)聚焦的非傍軸激光光束都適用。通過類比空間光束和時(shí)間脈沖,提出了空間高階衍射項(xiàng).對(duì)于強(qiáng)非傍軸情況,擾動(dòng)參數(shù)比較大,本文的修正結(jié)果精確地描述了近場(chǎng)行為,遠(yuǎn)場(chǎng)結(jié)果和所有其他人得到的結(jié)果一致。對(duì)弱非傍軸情況,本文的結(jié)果能夠簡(jiǎn)
5、化為曹清等人[J.Opt.Soc.Am.A15,1144(1998)]的結(jié)果.另外,對(duì)傍軸近似的最低階修正,本文的結(jié)果和Lax等人[Phys.Rev.A 11,1365(1975)]及Seshadri[J.Opt.Soc.Am.A 19,2134(2002)]的結(jié)果完全一致。
其次,提出了一種新型光束--完美厄密拉蓋爾高斯光束。該光束是完美厄密高斯光束和完美拉蓋爾高斯光束的統(tǒng)一體,當(dāng)一參數(shù)連續(xù)變化時(shí),能夠?qū)崿F(xiàn)從完美厄密高斯
6、光束到完美拉蓋爾高斯光束的連續(xù)轉(zhuǎn)變,還找到了產(chǎn)生該光束的真正源點(diǎn)。從完美厄密拉蓋爾高斯光束的角譜表象出發(fā),推導(dǎo)了相應(yīng)傍軸光束的前三項(xiàng)非傍軸修正解。
再次,利用矢量瑞利--索末菲衍射積分公式(vectorial Rayleigh-Sommerfeld diffraction integral formulas),研究了自由空間中徑向偏振完美光束的非傍軸傳輸特性,得到了該光束在傳播過程中總是保留徑向偏振特性,最低階徑向偏振完美
7、光束和最低階徑向偏振光束在傳播過程中有相同的非傍軸場(chǎng),還得到了該光束的精確軸上場(chǎng)表達(dá)式.
最后,利用矢量角譜方法,得到了非傍軸徑向偏振光的解析矢量結(jié)構(gòu)和能流分布,從得到的矢量結(jié)構(gòu)分析該光束的物理表象,這種特殊的電磁場(chǎng)完全是橫磁場(chǎng),軸上只有縱向電場(chǎng)存在,無磁場(chǎng)和橫向電場(chǎng).
在研究高階模高斯光束在強(qiáng)非局域非線性介質(zhì)中的傳輸時(shí),從以下四方面著手:
第一,從Snyder-Mitchell模型出發(fā),研究厄
8、密高斯、拉蓋爾高斯、因斯高斯和因斯高斯渦旋、厄密拉蓋爾高斯、復(fù)變函數(shù)高斯五類呼吸子和孤子的精確解析解;
第二,數(shù)值模擬非局域非線性薛定諤方程,通過比較數(shù)值解和Snyder-Mitchell模型的解析解,得知在強(qiáng)非局域非線性條件下它們吻合得很好,然而,隨著非局域程度減弱,Snyder-Mitchell模型的解析解與非局域非線性薛定諤方程的數(shù)值模擬出現(xiàn)了差異,非局域程度越弱差異越大;
第三,證明了厄密高斯光束能夠
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