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轨道角动量光场时空特性与光声耦合

朱智涵  
【摘要】:涡旋光场,即携带轨道角动量(OAM)的光束或光子,作为近十年来光学领域内最热门的话题受到广泛关注,并取得了突飞猛进的发展。在此过程中,OAM自由度扮演着至关重要的角色。一方面,OAM自由度构成无限维希尔伯特空间,因而涡旋光场在信息科学方面潜力巨大,研究遍及相干光通信、精密测量以及高维量子信息;另一方面,涡旋光场独特的相位及强度分布使其具有常规光束无法比拟的焦区调控能力,在以光-物相互作用为基础的应用中广受关注,研究遍及成像、相位及微纳光操控等。总之,OAM自由度为光子学引入了全新的基础问题与前沿概念,也因此成为面向量子-经典边界研究的关键媒介。在此背景下,本研究旨在采用—探索OAM自由度对光场时空特性及非线性光声耦合过程的影响—的研究途径,围绕量子力学基本问题与光场调控前沿需求,从理论机理和应用基础两个层面开展理论和实验研究。重点解决波函数是否描述物理实在这一长期话题,突破高维非线性光物交互界面这一前沿基础问题。本论文主要内容如下:(1)研究涡旋光场波函数在OAM调控中的演化行为,给出了高斯光场在典型OAM调控闭环回路中的精确演化行为。并基于该结果精确阐述了OAM光子从诞生到演化至远场过程中波矢空间的精确动力学行为,准确预估了模式色散造成的自由空间群速减慢效应。(2)提出并实施量子螺旋双缝实验,首次在单光子量级确认OAM模式慢光效应;首次证实了波函数的非定域客观实在性,同时揭示了测量之于动力学过程的关键角色—塌缩通过时间反演对称破缺为动力学过程定义时间之矢。(3)系统研究OAM光场在受激布里渊放大介质中的非线性传播特性,论证强场结构光场的组束产生原理,并揭示了可以通过光-声参量过程产生并调控结构声场。(4)系统研究OAM在光-声耦合中的演化规律与守恒关系,首次将OAM与“光-声耦合”两个光学前沿领域进行交叉研究,并形成“高维非线性光-声交互界面”概念;首次实现OAM态在光场与声场间的可逆参量转换,并证实OAM自由度可以滤除声子热噪声;此外,首次揭示了携带净OAM光场在光-声非线性传输中“横向破碎”的物理机制。本研究工作的创新之处与突出意义是:以OAM光场的物理特性为主线,首先,创新性地利用光学最前沿发现设计量子螺旋双缝方案,重议“波函数是否描述客观实在”这一量子理论百年争论与核心问题;然后,围绕光场调控科学的前沿需求,以光-声耦合为物理途径,开展高维非线性光-物交互界面研究。研究成果一方面对量子理论的深化理解与进一步发展起重要推动作用,另一方面为信息光子技术的发展提供了全新的应用基础与研究导向。


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