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二次谐波效应对矢量光场的偏振调制

刘天宇  
【摘要】:自从激光器技术的问世,光与物质的相互作用越来越受到人们的关注。除了聚焦、反射、散射等线性效应外,对非线性光学效应的研究也得到了迅速地发展。作为最早被发现的非线性效应,传统光源激发二次谐波的相关技术和应用已经日趋成熟,近年来,随着对具有特殊偏振结构的矢量光场的研究迅速发展,其作为光源激发的二次谐波效应也引起了诸多关注。矢量光场由于其特殊的偏振态分布和焦场特性,在光学微操纵、非线性光学、表面等离激元学、激光微加工、超分辨显微等领域发挥着巨大的作用。诸多研究者已经发现了矢量光场激发下的二次谐波效应中存在着许多新颖有趣的现象,但是目前对非线性晶体中二次谐波对矢量光场偏振态调制效应研究还相对较少。此外,角动量作为光场重要的物理属性也一直是研究的热点。角动量可分为轨道角动量和自旋角动量,轨道角动量在非线性过程中的守恒也早有定论,而对有自旋角动量参与的非线性过程研究较少。本论文基于非线性极化理论,对拥有复杂偏振态的局域线偏振矢量光场和椭圆偏振涡旋光场在非线性晶体中激发的二次谐波效应展开了研究,主要研究内容如下:1、介绍了矢量光场的基本概念、生成方式、偏振特性、焦场特性和应用前景等。对二次谐波进行了简单的介绍,并回顾了矢量光场在二次谐波效应中的研究现状。随后简述了包括二次谐波在内的光学非线性过程的理论基础。从经典的麦克斯韦方程组出发,介绍了光在非线性光学介质中传播时在频域和时域两种情况的非线性波动方程,并给出了具体的二次谐波极化场各分量的表达形式。2、基于非线性极化理论,研究了局域线偏振矢量光场激发下的二次谐波效应。首先,介绍了通过Richards-Wolf矢量衍射理论得到的局域线偏振矢量光场的焦场表达式,并计算得到这种光场激发的二次谐波近场极化和远场强度分布。研究了不同参数下的局域线偏振矢量光场激发的非线性极化场分布,并利用格林函数算法,模拟计算了极化场传播至远场后的倍频光强度分布。分析了二次谐波效应对矢量光场的偏振态调制效应。3、对二次谐波过程中的角动量守恒问题进行了研究。首先简单介绍了光学角动量的基本概念,并回顾了目前角动量在如二次谐波等非线性过程中的研究进展。对椭圆偏振涡旋光场激发的二次谐波效应进行了理论研究,并设计实验进行验证。一方面分析了椭圆偏振涡旋光场激发的二次谐波的强度分布。另一方面,研究了轨道角动量和自旋角动量在二次谐波效应中的变化规律。我们发现,无论是自旋角动量还是轨道角动量,在二次谐波过程中都是满足守恒定律的。


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