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强非局域非线性介质的光学矢量效应

强非局域非线性介质的光学矢量效应

作者：刘彩霞浙江理工大学

学位级别：硕士

携带各种信息的光子与介质相互作用的不同光学效应引发了一系列的技术革新,促进了科学技术的发展。光与物质的相互作用一直是一个热门的研究主题,其产生的科研成果推动现代光学的进步。通常光与物质相互作用的研究主要集中在偏振态分布... 详细信息

携带各种信息的光子与介质相互作用的不同光学效应引发了一系列的技术革新,促进了科学技术的发展。光与物质的相互作用一直是一个热门的研究主题,其产生的科研成果推动现代光学的进步。通常光与物质相互作用的研究主要集中在偏振态分布均匀的标量光场,没有考虑同样是光波重要参数的偏振态对光场调控的影响。随着对复杂光场的深入研究,偏振态空间变化的矢量光场与介质的相互作用逐渐引起人们的关注并被广泛应用到焦场调控、超精细加工、光学微操纵和光信息传输等领域。此外,强非局域非线性介质(Strongly Nonlocal Nonlinear Medium,SNNM)和PT(Parity-Time)对称光学系统因其独特迷人的光学性质,在最近的理论与实验研究中获得了一系列新现象、新效应。本论文主要探究SNNM的光学矢量效应,具体分为以下四个工作:1、基于稱合的非局域非线性薛定谭方程(Nonlocal Nonlinear Schrodinger Equations,NNLSE)研究了具有涡旋相位且场横截面上偏振态角向变化的矢量光场在SNNM中的传播动力学。通过动量法求解矢量涡旋光场(Vector Vortex Optical Field,WOF)在SNNM中的解析解,由均方根束宽宽度随距离的演化结果可知光场与介质相互作用后出现周期性震荡。借助分步有限差分法进行数值模拟,发现VVOF及其偏振态始终以扩散、收缩的传输模式循环往复向前传输。这种传输模式受入射功率与临界功率关系的影响,与上述解析解的结果相符合。此外,偏振光学奇点和涡旋光学奇点之间相互作用的动力学引发了新奇的现象。如果偏振拓扑荷数m等于涡旋拓扑荷数n(n=±m),VVOF在SNNM中传播时由于自聚焦效应致使能量在光场中心积累,因此不存在光学奇点。如果n≠±m,由于不同偏振分量的相干叠加导致在WVOF的外围(除光束中心之外的地方)出现线偏振-圆偏振的相互转换,由m和n决定。由于存在涡旋相位,VVOF在SNNM中沿光轴z方向螺旋向前传输。详细讨论SNNM中线偏振-圆偏振相互转换的物理原理,定量分析VVOF在SNNM中圆偏振转换效率随传播距离的变化。2、基于NNLSE分析携带不同分数阶偏振,涡旋拓扑荷且偏振态空间变化的矢量涡旋光场(Fractional-order Vector Vortex Optical Field,FO-VVOF)在 SNNM 的传播动力学。由于分数阶VVOF可看作是不同阶次不同加权系数的整数阶涡旋项的相干叠加,光场在SNNM中以扩散收缩的传播模式周期性传输,且在z=tπzp(t表示整数)位置处出现径向暗条纹。特别的,在SNNM中传播时出现线偏振-圆偏振的相互转换。通过偏振态演化可知,由于正交圆偏振分量携带不同分数阶涡旋相位,所以FO-WOF在SNNM中传播时的空间偏振态分布与拓扑荷、初始功率和传播距离密切相关。3、探索光场在强非局域非线性PT对称光学系统中传播过程的呈现的矢量效应,数值模拟标量光场(基模高斯光束)和WOF在PT对称光学系统破缺点之前的偏振态演化。有趣的是随着折射率系数a的增加,标量光场与WOF在SNNM中传输相同距离内其周期性变化速率加快。4、根据VVOF在SNNM中的演化设计了两种结构简单、经济实用的测量器件:(1)灵敏探测SNNM尺寸变化的测距系统,该装置可扩展为检测激光器功率变化的测功率系统;(2)可同时产生正交圆(线)偏振光,并通过改变入射功率、拓扑荷数可对正交圆(线)偏振光的环形分布间距进行调控的装置。

关键词：矢量涡旋光场偏振态矢量效应强非局域非线性介质 PT对称非局域非线性薛定谔方程

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傍轴光束在单轴左手介质中传输的矢量性质

物理学报 2007年第4期56卷 2131-2138页

作者：曹京晓胡巍罗海陆杨湘波华南师范大学光子信息技术实验室广州510006 华南师范大学传输光学实验室广州510006 华南师范大学激光生命科学研究所广州510631

研究了沿光轴入射的傍轴光束在单轴左手介质中传输的矢量性质.通过平面角谱的方法得到了横电(TE)波和横磁(TM)波在单轴左手介质中传输的严格解,并得到了傍轴近似下的矢量传输模型.利用这一模型,分析得到垂直于光轴方向不同偏振态的入射... 详细信息

研究了沿光轴入射的傍轴光束在单轴左手介质中传输的矢量性质.通过平面角谱的方法得到了横电(TE)波和横磁(TM)波在单轴左手介质中传输的严格解,并得到了傍轴近似下的矢量传输模型.利用这一模型,分析得到垂直于光轴方向不同偏振态的入射光束在单轴左手介质中同时激发横向场和低阶纵向场.如果单轴左手介质的介电常数张量在沿垂直于光轴方向上的两元素不相等,同时磁导率张量在沿垂直于光轴方向上的两元素也不相等(即z方向为光轴方向,x≠y,μx≠μy),那么入射光束激发的横向场的分布与入射光束的初始场分布和偏振态有关,而纵向场的分布与入射光束的偏振态无关,只决定于入射光束的初始场分布.

关键词：傍轴传输单轴左手介质矢量效应

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傍轴光束在单轴晶体中传输的矢量性质

物理学报 2004年第9期53卷 2947-2952页

作者：罗海陆胡巍易煦农朱静华南师范大学传输光学实验室广州510631

研究了垂直光轴入射的傍轴光束在单轴晶体中传输的矢量性质 .通过角谱的方法得到了寻常光 (o光 )和非常光 (e光 )在晶体中传输的严格解 ,并得到了傍轴近似下的矢量传输模型 .利用这一模型 ,分析得到了垂直光轴偏振的入射光束在晶体中只... 详细信息

研究了垂直光轴入射的傍轴光束在单轴晶体中传输的矢量性质 .通过角谱的方法得到了寻常光 (o光 )和非常光 (e光 )在晶体中传输的严格解 ,并得到了傍轴近似下的矢量传输模型 .利用这一模型 ,分析得到了垂直光轴偏振的入射光束在晶体中只激发o光。

关键词：单轴晶体矢量效应傍轴传输傍轴光束

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光束自聚焦的矢量理论研究

强激光与粒子束 2001年第1期13卷 1-4页

作者：文双春范滇元中国科学院上海光学精密机械研究所

基于矢量非傍轴非线性Ｓｃｈｒｏｄｉｎｇｅｒ方程，利用调制理论研究了光束的自聚焦特性，比较了非零电场散度项和非傍轴项在消除自聚焦崩塌方面的贡献。结果表明，引入两项之一都可使光束聚焦到一有限宽度后开始散焦，然后又自聚焦，... 详细信息

基于矢量非傍轴非线性Ｓｃｈｒｏｄｉｎｇｅｒ方程，利用调制理论研究了光束的自聚焦特性，比较了非零电场散度项和非傍轴项在消除自聚焦崩塌方面的贡献。结果表明，引入两项之一都可使光束聚焦到一有限宽度后开始散焦，然后又自聚焦，如此作聚焦－散焦的周期性循环。但是，在光束自聚焦点附近，非零电场散度项的作用要强于非傍轴项。

关键词：自聚焦矢量效应非傍轴

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光在单轴左手介质中的折射和矢量性质研究

光在单轴左手介质中的折射和矢量性质研究

作者：曹京晓华南师范大学

学位级别：硕士

晶体中的光传输问题一直吸引着人们的浓厚兴趣。随着光电通讯技术的飞速发展，晶体元件已经广泛应用于各类光电器件，如光学偏振器，光学补偿器，光学开关等。自从负折射率介质也即左手介质的概念被提出之后，由于它独特的光学特性，如... 详细信息

晶体中的光传输问题一直吸引着人们的浓厚兴趣。随着光电通讯技术的飞速发展，晶体元件已经广泛应用于各类光电器件，如光学偏振器，光学补偿器，光学开关等。自从负折射率介质也即左手介质的概念被提出之后，由于它独特的光学特性，如负折射现象，反多普勒效应，反瓦维洛夫-切伦科夫效应等，越来越多的人对其性质进行了研究。左手介质在自然界里是不存在的，人工制造的左手介质通常是各向异性的，光在其中的各向同性性质只能在特定的传输方向和偏振态时才能实现，因此研究光在各向同性右手介质与各向异性左手介质界面处的折射性质及其在各向异性左手介质中传输的矢量性质是必要的。本文在理论上研究了光在双曲色散型单轴左手介质中的折射性质及傍轴光束在单轴左手介质中传输的矢量性质。本文共分为五章：第一章为前言;第二，三，四章介绍了作者在硕士研究生期间所作的部分工作;第五章为结束语。具体的内容安排如下：第一章：介绍了本论文的研究背景和研究目的。第二章：研究了横磁波(TM)在各向同性右手介质和双曲色散型单轴左手介质界面处波矢和能流的折射。计算发现，当入射角在很大范围内变化时，波矢的折射角和能流的折射角几乎不变。调节光轴角可使波矢折射角和能流折射角随入射角变化不敏感的现象更明显。第三章：利用坐标旋转的方法，根据边界条件严格推导了横磁波由各向同性右手介质向双曲色散型单轴左手介质入射时的透射系数。发现当振幅透射系数大于1时，功率透射系数小于1。同时振幅透射系数越大，功率透射系数反倒越小。第四章：研究了沿光轴入射的傍轴光束在单轴左手介质中传输的矢量性质。利用平面角谱的方法得到了横电波和横磁波在单轴左手介质中传输的严格解，并得到了傍轴近似下的矢量传输模型。利用这一模型，分析得到垂直于光轴方向不同偏振态的入射光束在单轴左手介质中同时激发横向场和低阶纵向场。如果单轴左手介质的介电常数张量在垂直于光轴方向上的两元素不相等，同时磁导率张量在沿垂直于光轴方向上的两元素也不相等，那么入射光束激发的横向场的分布与入射光束的初始场分布和偏振态有关，而纵向场的分布只决定于入射光束的初始场分布。第五章：结束语。

关键词：单轴左手介质完美透镜双曲色散方程超棱镜现象傍轴传输矢量效应

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强光束传输的非旁轴矢量自聚焦理论

衡阳师范学院学报 2002年第3期23卷 20-27页

作者：文双春衡阳师范学院物理系复旦大学信息科学与工程学院上海200433

导出了非旁轴矢量传输方程 ,该方程明确了各修正项的物理意义 ;首次用变分法得到了任意初始条件下光束非旁轴传输的解析形式规律 ,与数值结果符合甚好。此外 ,基于得到的非旁轴矢量传输方程 ,用调制理论研究了非旁轴和矢量效应对光束自... 详细信息

导出了非旁轴矢量传输方程 ,该方程明确了各修正项的物理意义 ;首次用变分法得到了任意初始条件下光束非旁轴传输的解析形式规律 ,与数值结果符合甚好。此外 ,基于得到的非旁轴矢量传输方程 ,用调制理论研究了非旁轴和矢量效应对光束自聚焦的影响 ,比较了各种效应的重要性 ,发现在自聚焦点附近 ,矢量效应的作用要强于非旁轴。

关键词：强光束传输非旁轴矢量自聚焦理论非旁轴效应矢量效应非旁轴矢量传输方程非线性衍射

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激光物理

中国光学 2004年第3期 15-16页

TN241 2004031707 矢量效应对超短脉冲光束非傍轴传输的影响=Influenceof vectorial effect on the non-paraxial propagation of ultrashort pulsed beam in free space[刊,中]/陆大全(华南师范大学传输光学实验室.广东,广州(510631))... 详细信息

关键词：高斯光束稀薄等离子体非傍轴超短脉冲光束光学实验华南师范大学矢量效应电磁类孤立子传输公式短脉冲强激光