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有限波束传输特性的若干问题的研究

施解龙  
【摘要】: 随着集成光学的发展,有限波束在介质中的传播特性受到了广泛关注,特别是非线性介质中空间光孤子的传输以及微结构中有限光束的Goo-H(?)nchen(GH)位移。这些现象极大地简化了目前光通讯中各类器件的结构,对于集成光学中光互连技术及光导向器件的研制具有重要的现实意义。 空间光孤子是非线性光学领域中的一个重要研究分支,是有限光束在光与物质相互作用中非线性效应和衍射效应互相制衡的结果。经过近40年的研究,人们已取得了丰硕的研究成果,但一直以来,人们对于光孤子理论和实验上的研究绝大多数都采用相干光源,即得到相干光孤子。近年来,随着实验水平和材料研究的发展,人们已开始利用非相干光源来产生非相干光孤子。非相干空间光孤子的发现改变了人们对孤子的传统观念,为孤子科学、非线性光学以及其他非线性领域开辟了新的研究领域,在实用上也将大大推动基于光孤子的全光通讯器件的发展。 另一方面,有限波束在单界面上发生全反射时,反射光束相对于几何光学的结果存在GH位移。目前,微结构中的GH位移已成为了实验和理论的研究热点之一。事实上,GH位移的深入讨论将进一步加深人们对于有限波束传播特性的理解。 本文将围绕着有限光束的传播动力学,主要研究在界面反射时有限光束的GH位移和非相干光束在非线性介质中的自陷行为,其中包括局域和非相干光孤子的传播特性和非相干耦合孤子对的传播演化特性。主要取得以下四个方面的研究成果: 一.研究了一种新型的非相干耦合孤子对在光折变介质中的传播特性,这种孤子对中的两束孤子分量光束波长相同,偏振方向相同,彼此不相干,且孤子分量光束本身也是空间非相干的。(1)得到了亮—亮、暗—暗和亮—暗型耦合孤子对中非相干孤子分量光束的强度分布,发现耦合孤子对的形成与光束的非相干性无关,但耦合孤子对的存在形式与外加电场的偏置方向有关;(2)在亮—暗型耦合孤子对的研究中,在亮、暗孤子分量强度峰值近似相等的条件下,可以得到了孤子对的解析表达式;(3)分析了构成孤子对非相干孤子分量光束的彼此无关的各相干组份光束的传播演化特性,结果表明光束的非相干性仅影响到各相干组份的强度分布,而与孤子对的强度分布无关。 二.用互谱密度法研究了白光光束在饱和对数型非线性介质中的自陷行为,得到了孤子的形成条件,光束半径和光束相干半径的精确表达式,发现光束的相干特性不但会随传播距离产生周期性的变化,且随组份频率的增大而减弱。三.首次从理论上研究了非相干白光孤子在强非局域非瞬时Kerr介质中的传输特性。发现孤子有着椭圆高斯形式的光强分布和各向异性的时空相干特性,孤子的相干半径随着频率的增大而减小。当光束的入射功率不满足孤子稳定传输的临界值时,非相干光束将会产生线性的谐振,相关特性做了详细的讨论。 四.明确提出了GH位移的概念只有在反射光束的波形与入射光束的波形基本不变时才有物理意义。数值计算表明:当光束入射角和发散度满足一定条件时,构成反射光束的每一平面波的反射相移与波矢平行与界面的分量k_y成正比关系,反射光束的波形与入射光束的波形基本不变;当光束入射角接近临界角或90度时,反射相移与波矢平行与界面的分量k_y之间的线性关系不在成立,反射光束的波形与入射光束的波形有变形,实际光束反射峰的位置已与GH位移不一致了。


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