强非局域非线性介质中拉盖尔-高斯型光孤子相互作用

利用强非局域非线性介质中傍轴光束传输的线性模型(修正的Snyder-Mitchell模型)讨论了两束共线(即光束中心和传输方向都相同)拉盖尔-高斯型光孤子的传输过程. 改变双光束的相对阶数和相对强度比,叠加光场在传输截面上的光强分布呈现出多样性,通过叠加的方法在该介质中产生了多环形光孤子. 一定条件下传输光束在传输过程中会出现旋转现象,叠加光场成为旋转光场,给出了旋转光束的旋转条件以及旋转速度. 进一步利用拉盖尔-高斯光束在传输过程中特有的螺旋相位特点分析了光场截面强度多样性产生的物理机理. 关键词： 强非局域非线性介质 拉盖尔-高斯型光孤子 共线传输 涡旋相位     

强非局域空间光孤子在铅玻璃材料中的传输特性

本文研究了矩形和圆形截面铅玻璃介质中强非局域空间光孤子的传输特性.基于镜像法,光束在铅玻璃中的传输被分成独立的两个过程,即孤子的形成和孤子的整体偏转.孤子的形成不依赖于边界,它来源于入射源光束本身形成的折射率分布的作用,所以形成孤子的临界功率只与材料的性质和入射光束束宽有关.孤子的整体偏转在本质上来源于边界的作用,其偏转力在数值上等同于所有镜像光束与源光束之间的作用力.截面圆形和截面矩形的边界分别"镜像"出一个和无穷多个镜像光束,进而导致不同边界条件下孤子不同的偏转轨迹.文中解析求得的孤子的临界功率以及两 关键词： 空间光孤子 强非局域 镜像法 铅玻璃     

自由空间中时空复变量自减速艾里拉盖尔高斯光束的相互作用

根据自由空间光束传输遵循的(3+1)维薛定谔方程,得到了两束时空自减速艾里复变量拉盖尔高斯(Airy elegent-Laguerre-Gaussian,AELG)光束共线传输时的解析解,并分析其共线传输时的传输特性.分析结果表明,双光束各自的模式指数、组合光束强度的权重因子、初始相位差对光束的传输都会有影响.本文发现,通过选择模式参数或者选择它们的相对振幅,对于共线传输的两束时空自减速AELG光束,可以有效控制叠加光束的波形形态以及横向传输截面的光斑分布.特别是当两束光束的模式参数不等于零时,波包将沿着传输轴发生螺旋形旋转,其相位图中心位置都会出现涡旋现象.若该参数值为正,则光束沿传输轴逆时针旋转,否则,光束将沿传输轴呈螺旋形顺时针方向旋转.通过调整叠加光束的初始相位差,波包沿传输轴线也将发生旋转,但这两种旋转特性的旋转机理完全不同.如果选取两束时空自减速AELG光束的角向模式参数m相同,则叠加光束在传输过程中呈现空心环形状态,出现空心环形时空自减速AELG波包,且该波包在传输截面上随着传输距离的增加,多环结构最终湮灭为单环,并向远方推移,使得空心部分越来越大.     

光束在尾流气泡中传输的复散射效应

为了了解光束在尾流气泡中的传输特性,为前向光尾流的探测提供理论依据,研究了光束在尾流中传输时传播方向上和横截面方向上的辐射强度分布特性.基于辐射传输方程的小角度近似解,得到了探测截面上的约化强度和漫射强度的表达式,其中漫射强度表征了复散射的强弱;针对典型的尾流气泡分布,通过数值计算分析了光束传输方向上的约化强度和漫射强度与接收视场角、光学厚度和光束大小的关系,也计算分析了光束横截面方向上的辐射强度随光束大小和横向距离的变化关系.结果表明,光束在尾流气泡中传输时复散射效应明显,且复散射的强弱与接收视场角、光束直径、光学厚度和横向距离密切相关.     

光束在尾流气泡中传输的复散射效应

为了了解光束在尾流气泡中的传输特性,为前向光尾流的探测提供理论依据,研究了光束在尾流中传输时传播方向上和横截面方向上的辐射强度分布特性.基于辐射传输方程的小角度近似解,得到了探测截面上的约化强度和漫射强度的表达式,其中漫射强度表征了复散射的强弱|针对典型的尾流气泡分布,通过数值计算分析了光束传输方向上的约化强度和漫射强度与接收视场角、光学厚度和光束大小的关系,也计算分析了光束横截面方向上的辐射强度随光束大小和横向距离的变化关系.结果表明,光束在尾流气泡中传输时复散射效应明显,且复散射的强弱与接收视场角、光束直径、光学厚度和横向距离密切相关.     

光束截面的能量守恒及能量衍射发散度

证明了任何一个在真空中稳态传输的单色标量光束，在忽略了瞬逝波的条件下，其光束截面能量的径向分量Ｅ及轴向定量Ｅ都与轴坐标无关，它们都为不变量，文中还进一步给出了光束能量衍射分散度的Ｘ，Ｙ分量的表达式。     

强非局域介质中基于古依相位的旋转涡旋光孤子

利用强非局域非线性介质中傍轴光束传输的修正Snyder-Mitchell模型讨论了两束共线(即光束中心和传输方向都相同)拉盖尔-高斯型光孤子(CLGS)构成的涡旋光孤子传输过程。在一定条件下,涡旋光束在传输过程中,光束截面光斑发生旋转现象,但光束的束宽保持不变,称之为旋转涡旋光孤子。涡旋光孤子旋转的现象可以通过叠加光场中的古依相位来解释。结果展现了几个旋转涡旋光孤子在传输过程中的旋转现象和强非局域介质中多环形旋转涡旋光孤子的传输。     

空心锥状双高斯光束传输特性研究

建立了空心锥状双高斯光束的模型.在空心高斯光束模型的基础上,由初始光场的光强分布,利用柱坐标下的柯林斯公式,导出了空心锥状双高斯光束经过傍轴光学系统的解析传输变换式由传输变换式计算分析了空心锥状双高斯光束在自由空问的可控传输特性,及在1,10和60 m的截面光环的光强分布.用KNbO3双轴晶体进行实验,获得了空心锥状双高斯光束,外锥折射的锥角等于入射光会聚角.实验表明,当空心光束处于锥状发射状态时,空心光束的光环内黑斑面积随传输距离的增加而增加,实验结果与模型吻合较好.该研究为进一步设计制备基于空心锥状舣高斯光束的新型激光元件提供了理论依据和设计参量.     

部分相干Airy光束在湍流大气中传输时的偏振特性

研究了部分相干Airy光束在湍流大气中传输时的偏振特性,偏振保持度作为衡量偏振传输效果的一个重要参数.结果表明:部分相干Airy光束在湍流大气中传输足够远时,其偏振度会变回到初始值;而在自由空间中传输,光束的偏振度会保持在某一个特定值;在湍流大气中,当光束传输距离不是很远时,光束对称轴上的偏振度分布为Airy函数,但是当传输足够远时,该偏振度分布逐渐趋向于类高斯状;光束的束腰半径越大,相干长度越长,越有利于光束传输后偏振的保持;存在一个指数截断因子,使得光束的偏振保持度很差.这些结论对于Airy光束在通信领域中的应用具有重要的意义.     

圆柱型光纤螺线圈轨道角动量模式

传统的沿z轴光纤传输光线的轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)光束的制备方法共同之处都是从内部结构着想,光束的主光线基本上不变,只是波面在变.但要获得携带高mh的光有一定的难度.针对上述问题,本文建立以波面不变,光束主光线变化为基础的理论框架,利用微分几何理论验证不沿z轴圆柱型光纤螺线圈传输的光线可以携带高mh OAM的理论设想.研究发现:利用流动坐标(α,β,γ)计算光线在绕圆柱体的光纤中传输时光纤截面的衍射分布图呈现涡旋特征,有高阶OAM模式.当θ=θ0时,圆柱形轨道光纤过渡到直线轨道光纤.计算光线沿直线传输时光纤截面的衍射分布图是Airy斑,即圆孔衍射斑,无高阶OAM模式.     

彗差和球差对涡旋光束斜程传输特性的影响

利用涡旋光束作为空间光通信载波可以大大提高数据传输的容量,因此,研究涡旋光束在大气湍流中的传输具有重要意义.涡旋光束在大气湍流中传输时会产生光束漂移,进而影响通信系统的性能.本文基于多相位屏和傅里叶变换的方法,研究了带有彗差和球差的涡旋光束在大气湍流中传输时的光束漂移特性.结果表明,涡旋光束在大气湍流中传输时,随着传输距离的增大,彗差和球差对光束漂移特性的影响均明显增强.传输天顶角及彗差系数越大,涡旋光束的光束漂移量越大,而球差系数的增大,将会降低光束漂移量.当天顶角和传输距离相同时,涡旋光束的漂移量都会随着拓扑荷数的增大而减小.相对而言,彗差对涡旋光束的光束漂移特性影响比球差更大.     

部分相干环状偏心光束通过海洋湍流的传输特性

推导出了部分相干环状偏心光束在海洋湍流中传输的平均光强和光束质心位置的解析表达式, 并给出了最大光强位置满足的传输方程. 研究发现: 经足够长距离传输后, 在自由空间中最大光强位置比光束质心更靠近传输z轴, 并且其位置随着光束相干参数的增大而靠近传输z 轴, 随着光束偏心参数和遮拦比的增大而远离传输z轴. 但是, 在海洋湍流中最大光强位置趋于质心位置, 并且海洋湍流的增强会加速最大光强位置趋于质心位置的进程. 在海洋湍流中光束的相干性对光束传输特性的影响明显减小. 另一方面, 光束质心位置与光束的相干性、光束传输距离以及海洋湍流均无关系, 并且光束质心位置随着光束偏心参数和遮拦比的增大而远离传输z 轴. 所得结果对工作于水下湍流环境中的部分相干环状偏心光束的应用具有重要意义.     

光源参数及大气湍流对电磁光束传输偏振特性的影响

根据光束扩展理论,以部分相干的电磁高斯-谢尔光束为研究对象,分析了电磁光束传输时其偏振特性的变化机理.结果表明,光源参数和大气湍流对电磁光束分量扩展的影响是导致传输过程中电磁光束偏振特性变化的原因.在真空中传输时,电磁光束两分量的相干性存在差异,导致传输时电磁光束两分量扩展快慢不同,从而引起传输路径上光束谱偏振度的变化.在大气湍流中,电磁光束两分量扩展的快慢与光源参数和大气湍流强度均有关,当传输路径较短时,电磁光束偏振变化主要与光源参数有关,变化特性与在真空中传输时的情况类似,而传输距离较远时,电磁光束偏振变化受大气湍流的影响明显,变化特性与在真空中传输时的情形存在不同.     

涡旋光束在湍流大气中的传输特性

根据广义的惠更斯-菲涅耳原理, 研究了涡旋光束在湍流大气中的传输特性。研究结果表明, 涡旋光束在湍流大气中传输时, 截面光强会从空心分布转化为高斯分布。光束所带的拓扑电荷数以及大气湍流均会影响光强分布的变化。研究结果还表明, 涡旋光束能够抑制大气湍流对光束扩展的影响, 这一现象得到了实验上的证实。通过杨氏双缝干涉的方法, 还研究了涡旋光束经过湍流大气传输后的拓扑电荷数。研究发现, 涡旋光束经过湍流大气后, 拓扑电荷数将发生波动。     

周期局域空心光束自重建的理论模拟与实验

利用衍射积分理论和干涉理论分析了轴棱锥对无衍射贝塞尔(Bessel)光束进行线聚焦产生局域空心光束遇障碍发生自重建的全过程。数值模拟了周期局域空心光束的传输情况及轴上放入圆形障碍物后不同位置的截面光强分布图,并计算了障碍物后最小自重建距离。研究结果表明周期局域空心光束遇到障碍物后,会绕过障碍物继续向前传输,并且传输一段距离后恢复原来的周期局域空心光束的特性。设计实验光路图对理论模拟进行了验证,通过显微镜和照相机系统拍摄得到轴上圆形障碍物和方形障碍物前后光束的截面光强分布图,实验与理论模拟相吻合。研究结果使得周期局域空心光束的应用得到了扩展。     

厄米-高斯光束在热非局域介质中传输的数值模拟研究

基于非线性薛定谔方程和热扩散的泊松方程,采用分步傅里叶算法以及多重网格法对厄米-高斯光束在不同形状的热非局域介质铅玻璃中的传输进行了数值模拟研究. 结果表明,低阶厄米-高斯光束可以较为稳定地在铅玻璃中传输. 高阶厄米-高斯光束在铅玻璃中传输变得不稳定,并且阶数越高,稳定性越差. 样品的形状对于厄米-高斯光束的影响很大. 在正方形样品中,厄米-高斯光束的传输与Snyder-Mitchell模型符合得相对较好. 在矩形样品中厄米-高斯光束在传输过程中的强度分布将发生较大的变化. 关键词： 非局域非线性介质 厄米-高斯光束 光束传输     

Kerr非线性介质中聚焦像散高斯光束的传输特性

当高功率激光通过Kerr非线性介质传输时,Kerr效应会严重影响激光的传输特性.实际应用中常遇到像散光束.迄今为止,像散光束传输特性的研究大都局限于在线性介质中的传输,而在非线性介质中传输的研究较少,且还未涉及像散激光束通过含光学系统的Kerr非线性介质传输变换的研究.本文主要研究Kerr效应对聚焦光束像散特性和焦移特性的影响,以及聚焦像散高斯光束的自聚焦焦距和光束焦点调控.在光束扩展情况下,推导出了聚焦像散高斯光束在Kerr非线性介质中传输的束宽、束腰位置和焦移的解析公式,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,推导出了自聚焦焦距的解析公式,研究表明利用光束像散可以调控光束焦点个数.     

可控空心光束在单轴晶体中的传输特性

基于光束在各向异性单轴介质中的傍轴矢量传输理论,对可控空心光束(CDHB)在单轴晶体中的传输特性作了研究.得出该光束在单轴晶体中传输的横向慢变振幅的表达式,并利用此表达式作数值计算,研究了CDHB在单轴晶体中的传输特性.研究表明,可控空心光束在单轴晶体中传输时,控制参数ξ和光束阶数N的取值对其光强分布有较大的影响.随着...     

类贝塞尔脉冲光束传输中的空间诱导色散效应

利用空间诱导色散概念,从理论上研究了等束腰宽度的类贝塞尔脉冲光束在自由空间中传输性质.在一阶近似的情况下,类贝塞尔脉冲光束的空间和时间部分可以做分离变量,空间部分在传输过程中保持类贝塞尔光束传输的特性,而时间波形部分的传输遵循空间诱导色散理论.利用数值模拟方法模拟了 Bessel-Gauss 脉冲光束和elegant Laguerre-Gauss脉冲光束的传输.结果证实,只要传输距离小于类贝塞尔光束的无衍射距离,空间诱导群速度色散理论能够很好地描述类贝塞尔脉冲光束脉冲形状的演化过程.     

离轴椭圆厄米-高斯光束通过一阶光学系统的变换特性

从Collins公式推导出离轴椭圆厄米-高斯光束通过一阶光学系统的变换关系,并以透镜系统为特例研究了偏心厄米-高斯光束的传输特性,在垂直于x轴截面内强度分布仍是厄米-高斯函数形式并保持阶次不变,在传播方向上光束中心轨迹线是一条过焦点的直线.