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强非局域空间光孤子传输特性研究

张霞萍  
【摘要】:自1960年第一台红宝石激光器问世以来,激光光学得到了迅猛的发展。激光光束在非线性介质中传输时会发生自陷现象,这种自陷现象的产生来自于光束与介质发生的非线性效应而导致光束被压缩。而光束在传输时发生的衍射效应将使得光束有展宽的趋势。当这两种效应达到平衡时便形成了光孤子。光孤子能够实现自导、并保持稳定的传输。这种诱导孤子波导可以用来引导信号光,从而实现光控制光、光子开关和光子逻辑门等光子信息处理器件。由于空间光孤子在全光控制技术、光子信息处理和全光通信技术中具有潜在应用价值,所以,空间光孤子始终是非线性光学领域里的一个研究热点。迄今为止,对空间光孤子的研究多数局限在局域响应的非线性介质。 本文主要研究了强非局域非线性介质中激光光束的传输特性及其光孤子之间的相互作用,共分五章。 第一章:回顾光孤子的研究历史,对近年来关于非局域空间光孤子,特别是强非局域非线性介质中空间光孤子的研究现状做了较详细的综述。 第二章:利用强非局域非线性介质中傍轴光束传输的线性模型,根据不共面对称斜入射(1+2)维空间光孤子相互作用的解析解讨论了短程作用的情况。由能量守恒和动量守恒发现,这样的孤子在传输过程中其质心轨迹随着光束之间存在相位差而发生偏转。给出了最佳相位差,即以该相位差入射可以使光束质心偏转达到最大,使得在强非局域介质中通过调节相位差对三维光孤子实现全光控制成为可能。不同的振幅比对质心偏转也有影响。文章数值模拟了(1+2)维光孤子传输过程中坡印廷矢量(能流密度),分析了光孤子在传输过程中的坡印廷矢量变化,揭开了三维空间光孤子围绕质心旋转的物理本质。 第三章:讨论了笛卡尔坐标系下(1+1)维和(1+2)维光束传输过程,得到了强非局域非线性介质中传输光束的复宗量厄米高斯型解,该解为抛物线柱函数对高斯光束的调制。在一定条件下共线传输的复宗量厄米高斯型光束演化为涡旋光束。给出了单束复宗量和涡旋复宗量厄米高斯光束在临界功率下的传输过程,发现他们在传输过程中光束截面光斑尺寸呈现出周期性的呼吸变化,即为呼吸子或旋转涡旋呼吸子。 第四章:利用修正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。首次通过叠加的方法在该介质中产生了多环形光孤子和涡旋光孤子。在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。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。涡旋光孤子旋转的现象可以通过叠加光场中估衣相位来解释。 第五章:讨论了椭圆坐标系下强非局域非线性介质中光束的传输过程。通过设立因氏多项式对高斯函数的调制解得到了光束稳定传输的因氏高斯型解。当因氏高斯光束的入射功率为临界功率时,光束保持孤子形态稳定传输,否则传输光束的束宽呈现周期性波动,即为呼吸子形态。文章数值模拟了因氏高斯型呼吸子的传输过程。因氏高斯型光束在一定条件下可以连续转换为厄米高斯型光束或拉盖尔高斯型光束。 第六章:总结了本文研究成果以及存在的不足之处。


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