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矢量光场在强非局域非线性介质中的传播特性及应用研究

张晓雨  
【摘要】:随着激光技术的发展进步,人们越来越多的认识到光所携带的丰富信息可以作为探测和感知物质世界的手段。若要充分挖掘光子作为信息载体的意义,就必须对光场的动力学信息进行深度剖析。矢量光场由于具有偏振态在空间中呈现非均匀分布的特殊性质,对比于普通标量光场,矢量光场的空间演化以及光场与物质相互作用中均有更加新颖的特征和应用。目前,在光学诱捕、光学微操控、光学微加工已经得到了许多应用。随着不同结构材料制备技术的日益成熟,物质与矢量光场互相作用将会导致一系列的新效应和新应用。本论文将集中研究矢量光场在强非局域非线性介质中的传播特性和应用探索。首先,本论文介绍了国内外关于光场在强非局域非线性介质中的动力学行为的研究,对当前较为成熟的矢量光场生成方法进行介绍,重点介绍了基于4F法生成矢量光场的生成方法,并在实验室条件下调制出偏振态径向变化和偏振态旋向变化的矢量光场。介绍了矢量光场光强,振幅以及偏振态的数学表述方法—斯托克斯矢量表示法。接着本论文基于瑞利—索末菲衍射积分公式并根据变量变换技术,通过对矢量光场在自由空间和在强非局域非线性介质中的解析解的对应关系,先解出其在自由空间中的解析解,进而得到其在强非局域非线性介质中传播的一般解析解。本论文从理论上描述矢量光场在强非局域非线性介质中的动力学行为,主要通过使用尼克松分步数值差分法对其偏振态演化情况进行表述。首先基于动量法,通过令哈密顿量为零,得出偏振态径向变化的矢量光场在强非局域非线性介质中传播时令其均方根束宽保持不变的临界功率和偏振态径向变化的矢量光场的均方根束宽的解析表达式,发现当输入功率不等于临界功率时,其均方根束宽会随着输入功率的改变而呈现余弦或正弦的周期性演化,且发现当偏振态径向变化的矢量光场在强非局域非线性介质中传播时,其线性偏振-圆偏振会相互转化,论文经计算得出了其沿传播中心和总的转换效率。本论文还对分数阶偏振态角向变化的涡旋矢量光场在强非局域非线性介质中传播时的动力学特性进行了研究,通过对其涡旋数的分析,发现其涡旋数目和涡旋强度分别受与偏振相关的拓扑荷数m和涡旋拓扑电荷数n影响,还基于尼克松数值差分法对其偏振态分布情况进行数学表达。最后,本论文基于偏振态径向变化的矢量光场在强非局域非线性介质中其局部圆偏振态会随着输入功率和传播距离的大小而改变,提出了一种基于该传播特性的圆偏振光生成和切换装置,该装置可以通过控制矢量光场的初始功率或者传播介质的厚度在固定位置生成左旋、右旋或左右旋混合圆偏振光。本论文还提出了一种基于新型偏振态径向变化的矢量光场的双聚焦特点的双成像系统,通过计算双焦点间距的解析表达式,来实现双像间距可控的双成像系统。


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