时域部分相干脉冲数值仿真方法研究

作     者：王潇涵 

作者单位：山东师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：蔡阳健

授予年度：2023年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 08[工学] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：相干性 特殊关联 非线性 随机复数屏方法 相位屏方法 

摘      要：随着2017年“新型光场调控物理及应用被国家自然科学基金委列为重大研究计划,这一研究领域被越来越多的人所关注。光场调控可以从不同的角度出发,在空域、时域、频域等维度对光场进行单独调控或联合调控,从而产生符合研究需要的光场,而由于部分相干光束相比完全相干光束具有独特的调控维度——相干结构,成为近年来大热的研究热点之一。通过人为地调控部分相干光的相干结构,就可以得到具有平顶、阵列、空心等不同分布的光强形状,或具有自修复、自分裂、自聚焦等特性的新型光场。时域部分相干脉冲与空间部分相干光束类似,同样具有相干性特性,尤其具有特殊关联结构的部分相干脉冲在脉冲整形、光通信、光纤光学和光学成像等领域具有广泛而深远的应用前景。目前,产生部分相干脉冲的方法主要是基于模式叠加原理,首先在数学上分别求解出部分相干脉冲的本征模和本质值,将其描述成本征模式叠加。对于在线性光学系统中,部分相干脉冲的传输演化行为可以由各模式分别进行传输,然后在接收面处进行叠加来表征。随着光通讯、激光加工等各领域快速发展,迫切需要构建复杂结构部分相干光脉冲以及它与非线性介质相互作用研究,这类问题将面临两个难题:(i)某些具有特殊关联结构的部分相干脉冲的本征模数学上难以获得精确解,因而无法通过模式分解原理来构建脉冲源,其在介质中的传输特性也无法描述。(ii)光脉冲在非线性色散介质(如光纤、平面波导等)的传输动力学遵循非线性薛定谔方程,由二阶电场统计描述的部分相干脉冲的传输特性无法直接通过解非线性薛定谔方程来开展研究。鉴于此,如何精确、快速地对特殊关联部分相干脉冲进行模型构建并研究其在非线性介质中的传输特性尤为重要。针对以上问题,本文基于相干统计理论,将空域部分相干光束所用的随机复数屏方法拓展到一维时域中,提出时域部分相干脉冲光源的数值构建方法,并研究了部分相干光脉冲在线性和非线性色散介质中的传输行为。在此基础上,比较了传统方法与我们所提出方法,研究结果表明我们所用的方法具有计算速度快,适用于任何特殊关联谢尔模型的部分相干脉冲的构建。此外,还验证了该方法可以用于研究部分相干光脉冲在非线性色散介质中传输演化规律。最后,运用该方法构建了一种具有特殊关联结构的部分相干脉冲并研究了其在非线性色散介质中的传输特性。为使这种方法能够应用于实验,我们通过复振幅编码技术将随机复数屏转换成相位屏。我们相信这项工作将成为研究部分相干脉冲在非线性介质中传输行为的有力工具。