超常媒质中结构光场的传输及其动力学特性研究

【摘要】：近年来,具有特殊振幅、相位和偏振态分布的结构光场由于其丰富的物理性质和效应以及极具潜力的应用前景正受到人们的极大关注。结构光场与物质相互作用过程中,既有光子能量的传递,也伴随着光子动量和角动量的转移,同时还呈现出马格努斯效应、自旋霍尔效应、手征效应和横向自旋等一系列新颖的物理效应和现象。能量、动量和角动量作为结构光场几个重要的动力学参量,有助于揭示结构光场和物质新的物理效应和特性。另一方面,超常材料在实验上的实现引起了人们广泛的重视,开辟了一个全新的光学研究领域,大量的光学现象需要重新审视,全新的操控光场的技术和方法等待被发现。本文将结构光场与超常材料相结合,研究拉盖尔高斯光束、贝塞尔高斯光束和艾里光束等典型结构光场在左手媒质、手性媒质和梯度折射率媒质等超常材料中的传输及其动力学特性,完成的主要工作如下:1.给出了拉盖尔高斯光束、贝塞尔高斯光束和艾里光束的数学表达式,数值模拟了三种典型结构光场在自由空间中的强度和相位分布;通过引入矢量势,根据洛伦兹规范,推导得到了不同极化状态下典型结构光场的电磁场分量表达式;研究了光场动量表征的亚伯拉罕(Abraham)和闵可夫斯基(Minkowski)争论,以及光场机械动量和正则动量的描述之争;采用基于正则方法建立的结构光场动力学参量的表征理论分析了自由空间中典型结构光场的动力学特性。2.研究了结构光场传输的矩阵光学理论,给出了表征左手媒质、手性媒质和梯度折射率媒质的ABCD矩阵,基于柯林斯公式和ABCD矩阵推导出了拉盖尔高斯光束、贝塞尔高斯光束和艾里光束等典型结构光场在左手媒质、手性媒质和梯度折射率媒质中传输的复振幅解析表达式,分析了三种典型结构光场在左手媒质、手性媒质和梯度折射率媒质中的传输特性。3.基于结构光场在超常媒质中传输的复振幅解析表达式,通过引入矢量势,根据洛伦兹规范,推导得到了不同极化状态下拉盖尔高斯光束、贝塞尔高斯光束和艾里光束等典型结构光场的电磁场分量表达式;在量子力学和相对论场论范畴内,基于正则方法建立了物理意义清晰、数学形式简洁、通用性强的光场能量、动量、自旋角动量和轨道角动量等动力学参量的表征理论;以左手媒质为例,研究了超常媒质中结构光场的动力学特性。