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物理学报 2013年第4期62卷 266-270页

作者：廖清华张旋夏全于天宝陈淑文刘念华南昌大学物理系南昌330031

基于光子晶体非线性kerr效应设计了一种结构简单的任意比能量输出光分束器,通过控制抽运光的强度来控制端口能量输出比.该结构还可以实现控制光传输的动态开关作用,并且具有插入损耗低、无串扰、信号光的开/关两个状态下的透射率相差非... 详细信息

基于光子晶体非线性kerr效应设计了一种结构简单的任意比能量输出光分束器,通过控制抽运光的强度来控制端口能量输出比.该结构还可以实现控制光传输的动态开关作用,并且具有插入损耗低、无串扰、信号光的开/关两个状态下的透射率相差非常大的特点,因此该光开关具有很高的开关比.

关键词：全光开关光分束器非线性kerr效应光子晶体

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光束扭曲、相干性及像散对高功率激光在非线性介质中传输特性的影响

光束扭曲、相干性及像散对高功率激光在非线性介质中传输特性的影...

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作者：胡婧四川师范大学

学位级别：硕士

近年来,在惯性约束核聚变和激光空间碎片清除等实际应用中对激光发射的功率、光束本身的质量有越来越高的要求高,从而促进高功率激光技术得到了迅猛发展。然而,高功率激光在产生和应用中不可避免地遇到激光在非线性介质中传输的问题。... 详细信息

近年来,在惯性约束核聚变和激光空间碎片清除等实际应用中对激光发射的功率、光束本身的质量有越来越高的要求高,从而促进高功率激光技术得到了迅猛发展。然而,高功率激光在产生和应用中不可避免地遇到激光在非线性介质中传输的问题。激光在非线性介质中传输时,非线性kerr效应将严重影响激光传输特性和光束质量。非线性薛定谔(NLS)方程是描述激光在非线性介质中传输的基本方程,但NLS方程通常无解析解。此外,激光扭曲、相干性和像散等也是影响激光传输特性和光束质量的重要因素。因此,研究光束扭曲、相干性及像散对高功率激光在非线性介质中传输特性和光束质量的影响具有重要意义。本论文采用适当的解析方法,研究了光束扭曲、相干性和像散对高功率激光在非线性kerr介质中的传输特性和光束质量的影响,具体研究工作包括:1、研究了扭曲高斯谢尔(TGSM)光束在非线性kerr介质中的传输特性。求解非线性薛定谔方程,推导出TGSM光束在非线性kerr介质中的传输解析式(即:激光的束宽、曲率半径、空间相干度、扭曲强度公式)。并且,推导出TGSM光束在非线性kerr介质中的M因子、瑞利长度以及远场发散角的解析式。另外,定义了TGSM光束在非线性kerr介质中的复参数,并证明TGSM光束通过非线性kerr介质中光学系统的传输满足ABCD定律。光束自聚焦情况下(即激光功率大于自聚焦临界功率时),推导出聚焦TGSM光束在自聚焦介质中的焦距解析式,并详细研究了光束扭曲对激光在非线性kerr介质中传输特性的影响。研究表明:TGSM光束比部分相干高斯谢尔(GSM)光束受非线性kerr效应的影响更小,并且扭曲越强和相干性越差的TGSM光束,其传输特性受非线性kerr效应的影响越小。另一方面,自聚焦效应(一种非线性kerr效应)使TGSM光束的扭曲增强而相干性降低,并且已有研究表明:大气中,相比于无扭曲光束,扭曲光束受湍流效应的影响更小;而相比于完全相干光束,部分相干光束受湍流效应的影响更小。因此,本论文得出重要结论:大气(一种自聚焦介质)中,TGSM光束比GSM光束或理想高斯光束受大气自聚焦效应和大气湍流效应的影响更小,所以TGSM光束在激光空间烧蚀推进应用中具有优势。2、研究了部分相干高斯谢尔(GSM)光束通过非线性kerr介质中光学系统的传输特性。在光束扩展的情况下,推导出GSM光束通过非线性kerr介质中一般光学系统的传输变换解析式,该解析式具有一般性,适用于任意由理想光学元件组成的复杂光学系统。以理想薄透镜为例,推导出GSM光束通过非线性kerr介质中薄透镜后束腰大小和位置,以及焦移的解析式,并详细研究了GSM光束通过非线性kerr介质中理想薄透镜的聚焦特性。研究发现:非线性kerr效应可以调节激光的束腰大小、束腰位置以及焦移大小,即:自聚焦介质中,激光功率越大(自聚焦效应越强)或空间相干度越大(光束相干性越好),光束束腰宽度越小、束腰位置越靠近透镜后焦面,且焦移越小。另一方面,在光束自聚焦情况下,推导出聚焦GSM光束在自聚焦介质中的焦距解析式。研究发现:自聚焦效应不仅可以调节焦距的大小,还可以调节焦点的个数。3、研究了聚焦像散高斯光束在非线性kerr介质中的传输特性。在光束扩展情况下,推导出了聚焦像散高斯光束在非线性kerr介质中传输的束宽大小、束腰位置和焦移的解析式,并详细研究了非线性kerr效应对聚焦像散光束的像散特性和焦移特性的影响。研究表明:在自聚焦介质中,随着自聚焦作用增强(如光束功率增强),光束像散越强,但焦移越小;在自散焦介质中,随着自散焦作用增强(如光束功率增强),光束像散越弱,但焦移越大。另一方面,在光束自聚焦情况下(即激光功率大于自聚焦临界功率时),推导出了自聚焦焦距的解析公式,并详细研究了聚焦像散高斯光束在自聚焦介质中的会聚特性,研究表明:利用光束像散不仅可以调节焦距的大小,还可以调控光束焦点的个数。

关键词：非线性kerr效应扭曲特性相干特性像散特性 ABCD定律传输特性焦移焦点个数非线性薛定谔方程

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非对称约束的光子晶体缺陷的特性及其应用

非对称约束的光子晶体缺陷的特性及其应用

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作者：石全汕头大学

学位级别：硕士

本文从理论分析和数值模拟两个方面研究非对称约束的光子晶体缺陷的透射特性;特别地，作为此类结构的一个重要应用，分析了存在kerr非线性效应时缺陷结构的透射特性变化，并将它应用到实现透射单向性的问题上。首先根据时间耦... 详细信息

本文从理论分析和数值模拟两个方面研究非对称约束的光子晶体缺陷的透射特性;特别地，作为此类结构的一个重要应用，分析了存在kerr非线性效应时缺陷结构的透射特性变化，并将它应用到实现透射单向性的问题上。首先根据时间耦合模理论，仔细推导了非对称约束的光子晶体缺陷的透射公式。通过分析我们发现：在时间耦合模理论的框架内，可以用对称约束情形的参数来描述非对称约束情形的透射特性。事实上，非对称约束时的参数是约束程度不同的两个对称约束结构的相关参数的简单组合。因此，只对各种对称约束的缺陷结构进行模拟计算，测出它们对于两侧耦合波导的衰减率及缺陷内部衰减率，用这些参数进行适当处理就可以得到各种非对称约束缺陷结构的缺陷模共振频率、质量因子和共振透射率等量，从而能够准确地描述非对称约束的缺陷结构的透射特性。由于对称约束缺陷结构的有关参数容易得到，因而使非对称约束的缺陷结构的研究节省了大量的计算时间。光学非线性效应和器件结构的不对称是导致单向透射性的主要原因，两者缺一不可。有鉴于此，在掌握了非对称约束缺陷结构的线性透射特性的基础上，我们结合微扰论方法，研究了具有kerr非线性折射率效应的非对称约束的单缺陷结构，得到了单个光子晶体缺陷结构的非线性透射率公式。进一步地，我们研究了缺陷结构的单向透射性问题，发现缺陷结构的特征功率与入射方向相关是造成单向透射性的主要原因。同时也发现，单缺陷结构的单向透射性程度不高，其透射对比度存在一个理论上限。理论分析与模拟实验的结果完成一致。我们的研究结果对基于光子晶体缺陷结构的全光二极管的开发、设计具有重要的指导作用。

关键词：光子晶体缺陷时间耦合模理论非线性kerr效应全光二极管

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应用于高通量激光表面处理的自聚焦光束阵列研究

应用于高通量激光表面处理的自聚焦光束阵列研究

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作者：葛文彪华中科技大学

学位级别：硕士

飞秒激光可以在材料表面上产生高精度和高分辨率的微结构或纳米结构,且这些表面结构可显著改变材料表面性质例如陷光能力和亲疏水性等,有着极其重大的应用价值。比如应用广泛的硅基光伏电池表面的黑硅(black silicon)吸收层就是依靠这... 详细信息

飞秒激光可以在材料表面上产生高精度和高分辨率的微结构或纳米结构,且这些表面结构可显著改变材料表面性质例如陷光能力和亲疏水性等,有着极其重大的应用价值。比如应用广泛的硅基光伏电池表面的黑硅(black silicon)吸收层就是依靠这些表面纳米或微米尺度结构,使得入射光线经历多次散射,吸收率从普通硅表面的60%提高到90%以上。然而,常用的串行飞秒激光表面处理通常是将单个激光束聚焦在硅样品表面上,同时长时间对激光焦点位置进行二维扫描,以处理大面积的样品。大部分激光能量被浪费,且加工效率极低,因此研究适用于高通量激光表面处理的并行方法就极有研究价值和重要意义。本文提出了一种用于高通量激光表面处理的自聚焦光束阵列的方法,并通过实验和理论模拟证明了该方法的合理性。与使用微透镜阵列和衍射光学元件等价格较为昂贵的光学器件来实现并行加工不同,该方法成本较低,只需一块普通的石英玻璃光学元件并且灵活巧妙的结合了多光束干涉原理以及非线性kerr效应。主要研究内容包括:(1)介绍了应用于高通量激光表面处理的自聚焦光束阵列的原理。其原理结合了三阶非线性效应以及多光束干涉技术。分析了入射光初始相位以及光强入射角等参数对干涉图案的影响,并分析了三阶非线性效应导致的自聚焦效应。(2)建立了自聚焦光束阵列的三维非轴对称传播方程,经过对入射角以及玻璃厚度等初始参数扫描筛选后,得到最优仿真参数,并得到最终仿真结果。仿真结果证实该自聚焦光束阵列先在玻璃表面干涉,然后在玻璃中非线性自聚焦,出射时波前仍为汇聚波前,干涉阵列在玻璃中继续聚焦直至到空气中焦平面后才开始发散。(3)对自聚焦光束阵列进行仿真模拟后,结合最优仿真参数,搭建了实验系统来进行实验验证。先搭建了4f成像系统对整个传播过程进行成像,成像结果与仿真结果基本一致;随后在空气中焦平面处进行了黑硅烧蚀实验,单次加工可得到1.8mm长的加工区域,与串行加工方式相比,效率大大提升。

关键词：高通量激光表面处理黑硅自聚焦光束阵列非线性kerr效应

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