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负折射介质中激光光束的傍轴传输研究

周建华  
【摘要】:负折射率介质是介电常数和磁导率同时为负的一类新型的人工电磁媒质。源于其独特新颖的物理性质和诱人的应用前景,负折设率介质获得了国际学术界的广泛关注,成为目前最重要的科学前沿领域之一,被认为将对光学和光子学产生革命性的影响。本论文针对负折射率介质特有的光学特性,结合传统的激光光学,在国际上较早开展了激光光束在负折射率介质中的传输和控制研究,取得一些创新性研究结果: 1.用矩阵光学的方法研究了级联负折射率介质平板系统的光束传输特性,导出了与负折射率介质平板相关的ABCD矩阵元表达式,简单明了地揭示了傍轴传输情况下,高斯光束经过不同级联负折射率平极系统时的传输特性,得到了负折射率介质平板内外的场强分布,以及高斯光束聚焦和相位补偿的条件。只要高斯光束在第一块负折射率介质内能够聚焦,则它在最后一个正区域也能聚焦;无论高斯光束在中间层级的正、负折射区域内聚焦或不聚焦,对最后一个正区域内的聚焦都没有影响;如果光束经级联负折射率介质平板后要获得复原或重现,则必须确保它在第一块负折射率介质平板内满足聚焦的条件。负折射率介质平班系统中高斯光束传输的ABCD矩阵方法,避免了在处理复杂光学系统衍射问题时涉及到的复杂积分运算,国际同行评价本项研究是目前国际上极少数研究激光光束在负折射率介质中传输的工作之一。 2.作为负折射率介质平板系统中激光光束传输的ABCD(?)阵方法的应用,研究了高斯光束在梯度负折射率介质中的传输和变换特性。首先,导出了高斯光束在正梯度负折射率介质中的ABCD定律,据此得到了光束在此介质中的传输模型,发现在特定条件下能产生空间孤子和呼吸子形式的传输。负折射率的梯度系数对平板介质的聚焦能力有很大影响:梯度系数越大,则类透镜效应越强,聚焦能力越大,在焦点处可获得的焦斑半径越小。其次,发现高斯光束在负梯度负折射率介质中传输时,束宽随着传输距离的增加而加宽,不再呈现出空间孤子和呼吸子传输的现象,这与正梯度负折射率介质中的传输特性显著不同。 3.研究了完全各向异性负折射率介质中波束的传输,揭示了介质的光轴与波束传输轴成任意夹角时,电磁波和光束在其中的反常传播特性。研究发现,当各向异性负折射率介质的光轴和传输轴的火角、电磁波的入射角、介质的介电张量和磁导率张量满足一定的条件时,可以产生完美倒退波和不完美倒退波;当TE波为倒退波传输时,对应的TM波为前进波,反之亦然。讨论了各种小同色散曲线关系对倒退波的影响,发现在近零介电常数的负折射率介质中的倒退波只能是完美倒退波。当介电张量和磁导率张量各分量满足一定的条件时,可以产生全向全反射现象。基于各向异性负折射率介质中波束的传输特性,提出了一种新型的薄片型高通空间滤波器的构想,并用调制高斯光束进行了数值模拟验证。这一特性也可用于构造空间低频反射器件。


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