物理光学 光学性质、效应

O436.4 2006042888克尔效应对高斯光束质量M2因子的影响及抑制=Influ-ence of the Kerr effect on the Gaussian beamquality factorand its reduce[刊,中]/马再如(四川大学电子信息学院.四川,成都(610064)) ,冯国英…∥光子学报.—2006 , 35(4) .—521-524用分步傅里叶方法计算了高斯光束在克尔介质中的传输过程,采用最小均方根办法对光场进行二项式曲线拟合得到光束质量因子。计算结果表明,当B积分在2 rad以内,克尔效应越强则它对因子影响越大;同时,它的这种影响能力也受到光束宽度和光束腰平面到克尔介质的距离的两个因素的影响,即光…     

高功率超高斯光束传输的非线性补偿研究

 分析了高功率超高斯光束在非线性介质中传播的基本理论，用分步傅里叶变换方法计算了10阶超高斯光束在非线性介质内的传输过程，最后采用具有负折射率系数的非线性介质作为补偿材料，对不同的补偿方式进行了对比分析。研究表明，四种补偿方式均可以大大减小光束的B积分，有效防止超高斯光束边缘的非线性增长，降低光束的小尺度自聚焦，同时选用后补偿作为最佳补偿方式。     

克尔介质表面缺陷对高斯-谢尔模型光束的调制

利用惠更斯-菲涅耳衍射积分公式,推导了高斯-谢尔模型光束经非线性克尔介质的表面缺陷调制后的交叉谱密度公式,研究了受调制高斯-谢尔光束的光强演化特性。数值模拟表明:缺陷也可导致部分相干光束在介质后表面产生一个极强点,缺陷越大,极强点越远离介质。非线性折射率为正值或负值的介质也分别使部分相干光束发生会聚或发散现象。空间相干长度越长以及附加相移和缺陷尺寸越大,光场受调制越厉害。     

聚吡咯甲烯/聚乙烯醇薄膜对高斯光束的衍射行为

制备了一种新型有机聚合物（聚吡咯甲烯）与聚乙烯醇的非线性光学复合薄膜,在该样品的激光纵向扫描实验中发现,随着样品相对于高斯光束束腰位置的不同,产生了两种不同结构的同心衍射环,理论分析表明,该现象可以用光克尔效应和热光非线性效应共同作用下的附加相位孔对入射光束的衍射行为解释,从菲涅耳－基尔霍夫衍射积分公式出发,建立了非线性光学介质对高斯光束的衍射模型,通过数值积分,得到了与实验现象符合的计算结果。     

环形斑光束在非线性克尔介质中的自聚焦效应

通过数值求解非线性Schrödinger方程,详细讨论了环形斑光束在非线性克尔介质中的传输特性.当入射光超过一定的功率时,光束产生多级自聚焦现象,自聚焦焦点出现在离轴的环上;自聚焦阈值与环形光束的半径有关;传输过程中光斑存在横向分裂现象,并且分裂与聚焦交替进行;当两个半径不同的同轴环状光束同时在非线性介质中传输时产生耦合效应,耦合效应使其自聚焦增强.     

非线性介质表面缺陷对激光光场的调制

以高斯光束为例,研究了非线性介质表面振幅调制型缺陷对光场的调制。基于广义惠更斯-菲涅尔衍射积分并采用泰勒级数展开方法,建立了高斯光束经过表面存在缺陷的非线性介质后的传输模型,得到了受缺陷调制光束经非线性介质后的光强分布解析式,研究了缺陷尺寸和光束在非线性介质中产生的附加相移大小对光强分布的影响,结果表明介质表面的缺陷尺寸越大,介质内产生的附加相移越大,光场受到的调制越严重。分别考虑了非线性折射率为正值和为负值的情况,研究发现相应的折射率值导致光束发生会聚或发散现象,并由于缺陷调制的作用,在光束传输过程中始终存在一光强极值点,且随着附加相移绝对值的增大光强极值点的峰值也随之增强。     

发散光束小尺度自聚焦特性的研究

研究了发散光束的小尺度自聚焦效应。从非线性傍轴波动方程出发,利用坐标变换,推导出发散光束小尺度扰动的传输方程,进而得到小尺度扰动增长的临界频率、最大增长频率和相应B积分值的变化规律。研究了发散光束初始曲率半径对小尺度自聚焦效应的影响。结果表明,对于一定的传输距离,随着发散光束初始曲率半径的减小,小尺度扰动的最大增长频率减小,相应的最大增益减小,即B积分值也减小。对于一定的初始曲率半径,随着传输距离的增大,B积分值增长变缓,并最终停止。利用局部能量守恒定律研究了发散光束的成丝距离,发现小的初始曲率半径可以延长成丝距离。     

有限能量Airy光束的小尺度自聚焦特性

研究了有限能量Airy光束在克尔介质中的非线性传输过程及整体自聚焦(特别是小尺度自聚焦)特性.研究发现相对于整体自聚焦,有限能量Airy光束主峰的小尺度自聚焦更容易发生,而且其噪音调制的增长速度随着截断系数的增加而变慢.通过对比研究不同截断系数小尺度自聚焦的增益谱,发现截断系数也极大地影响有限能量Airy光束的增益谱,截断系数越小Airy光束受噪音影响分裂的可能性就越大;对于较大的截断系数,有限能量Airy光束增益谱和由它主瓣拟合的高斯光束的增益谱越来越接近.研究结果对于有限能量Airy光束的潜在应用有一定的指导作用.     

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.     

克尔介质中皮秒亮孤子多光子J-C模型粒子数反转特性

利用全量子理论研究了克尔介质中皮秒孤子光场与二能级原子多光子相互作用系统中粒子数反转随时间的变化特性,用MATLAB软件编程模拟并讨论了初始平均光子数、克尔介质与场模非线性相互作用强弱、孤子光场与原子耦合强度及相互作用过程中跃迁光子数目对粒子数反转的影响.数值计算结果表明：初始平均光子数越大、克尔介质与场模的非线性相互作用越强、孤子光场与原子耦合强度越小或相互作用过程中跃迁光子数目越多,粒子数反转崩坍与恢复的振荡幅度越小、平均值越大.     

Complex geometrical optics of Kerr type nonlinear media

The paper generalizes paraxial complex geometrical optics (PCGO) for Gaussian beam (GB) propagation in nonlinear media of Kerr type. Ordinary differential equations for the beam amplitude and for complex curvature of the wave front are derived, which describe the evolution of axially symmetric GB in a Kerr type nonlinear medium. It is shown that PCGO readily provides the solutions of NLS equation obtained earlier from diffraction theory on the basis of the aberration-free approach. Besides reproducing classical results of self-focusing PCGO readily describes an influence of the initial curvature of the wave front on the beam evolution in a medium of Kerr type including a nonlinear graded-index fiber. The range of applicability of the PCGO theory is discussed as well which is helpful for avoiding nonphysical solutions.     

Airy光束在Kerr介质中的传输特性

通过对非线性薛定谔方程的研究,得出Airy光束在Kerr介质中的崩塌功率及有效束宽演化的解析表达式。经过数值计算发现,Airy光束在聚焦的Kerr介质中,其主瓣在开始传播时始终是会聚的;当输入功率小于临界崩塌功率时,Airy光束主瓣的中心部分出现局部崩塌。在不同的Kerr介质中, Airy光束的形状和传输轨道均能保持不变,如同在自由空间中传播,但光场大小的分布,随着不同的Kerr介质会发生改变:在Kerr的聚焦介质中,光场向中心聚焦;而在散焦的Kerr介质中,光场会发散。     

非线性Bragg微腔的双稳态研究

研究了一维Bragg微腔中的光学增强效应,并对F-P腔中Kerr介质的双稳态特性进行了理论分析,并得到相应的数学表达式.研究表明,对聚焦型Kerr介质（χ(3)>0）,要产生双稳态特性必须给入射光波预置一定的红移量,若是散焦型介质（χ(3)<0）则要预置一定的蓝移量.红移量（或蓝移量）的临界值与光子晶体的介质折射率、周期数、F-P腔长度、缺陷模的线宽（FWHM）等因素密切相关,它随介质折射率比、周期数、F-P腔长的增大而减小,随缺陷模的线形变窄而降低.要有效地降低非线性介质的双稳态开关阈值,除了尽可能选择较小的合适红移（或蓝移）量外,还要选择｜χ(3)｜较大的Kerr介质以增强腔内的非线性光学效应.     

宽频带光束非线性热像效应的实验研究

实验研究宽频带脉冲光束通过非线性介质时的非线性热像的形成过程,揭示了光束入射功率和脉冲宽度、介质厚度等因素对热像光强和位置的影响. 结果表明,与单纵模激光束一样,在宽频带脉冲光束情形下,非线性介质上游元件的模糊斑调制也可导致在下游共轭位置形成热像. 热像光强随入射光束功率的增加而增加;若脉冲能量一定,则热像光强随脉冲宽度的增加而减弱;若脉冲峰值功率一定,则热像光强随脉冲宽度的增加而增强. 关键词： 高功率激光 热像 宽带光束 小尺度自聚焦     

环形斑激光束在非线性克尔介质中环半径的偏移现象

对于非线性克尔介质中的环形斑调制光束,通过数值求解非线性Schrdinger方程发现:当入射光强度超过一定值时,光束在传输过程中将发生环半径偏移现象.并对环半径偏移产生的条件、偏移的特点,以及自聚焦焦点上光强度的横向分布与环半径偏移之间的关系进行了详细的研究.     

Kerr nonlinear switch based on ultra-compact photonic crystal directional coupler

In this paper, an all optical switch based on nonlinear photonic crystal directional coupler has been simulated and analyzed by the finite difference time domain (FDTD) method. The lunched pump signal increases the refractive indices of the central row of the coupler, due to nonlinear Kerr effect, hence the coupler works in the nonlinear conditions and lightwave guides to the other output port. We have tried to increase the coupling efficiency and reduce the required power in the nonlinear status by optimizing the bends structure and increasing the interaction between dielectric and lightwave signal. Therefore, the input signal beam can be controlled to be exchanged between two output ports to earn the highest output power ratio and the smallest amount of power required for nonlinear performance, the physical length of the coupler is determined to be 20a, where a is the structure lattice constant.     

Formation of soliton-like light beams in an aqueous suspension of polystyrene particles

A Kerr nonlinear medium consisting of an aqueous suspension of dielectric nanoparticles is used for the observation of continuous self-focusing of laser light. The minimum width of the soliton-like beam is measured in relation to the radiation power and the particle concentration. The possibilities of maximum narrowing of the beam in such a medium are discussed.