艾里-高斯光束在高斯型PT对称介质中的传输与控制

以非线性薛定谔方程为理论模型,研究了艾里-高斯光束在高斯型PT(Parity-time)对称介质中的传输与控制。详细分析了高斯型PT对称介质的特征参数(调制深度P、调制因子ω、增益/损耗系数W₀)和艾里-高斯光束的特征参数(截断系数a、分布因子χ₀)对艾里-高斯光束的传输特性的影响。结果表明：在高斯型PT对称介质中,艾里-高斯光束可以形成振荡孤子,且可稳定传输。孤子的峰值强度随P、W₀、a的增大而增大,随ω的增大而减小;振荡周期随P和ω的增大而减小,随W₀的增大而增大。当χ₀增大时,在0<χ₀<0.55范围内,孤子的峰值强度变化不明显;当χ₀>0.55时,孤子的峰值强度迅速减小。该研究结果可为孤子在复杂非均匀介质中的传输及全光控制方面的应用提供理论基础。     

艾里高斯涡旋光束正负交变介质中的光波演变

利用光学传输矩阵,结合广义惠更斯-菲涅耳光学衍射公式,研究了艾里高斯涡旋光束在正负折射率交替变化周期平板介质中传输时,其输出横截面光强分布规律和侧面传输光强的演变图景。结论显示:当右手材料折射率nr和双负材料折射率nl绝对值正好相等,并且右手单元长度R:双负单元长度L=1:1时,可以实现输出面光强的完美还原;当双负材料折射率绝对值abs（nl）nr,但R=L时,两类周期介质输出表面的光束质量都很差,此时,若要实现输出光强的完美还原,较大的abs（nl）需要较长的双负单元长度L来进行补偿,反之则反;进一步探究了准周期平板介质中双负材料单元长度和负折射率的定量关系。期望相关结论可以对含特异材质周期和准周期结构中艾里高斯涡旋光束的调控和通信传输提供重要的参考价值。     

含负折射率平板介质中艾里高斯光束的传输特性

基于光学传输矩阵,结合柯林斯光学衍射公式,研究了艾里高斯光束在无损和有损含负折射率平板介质中传输时,其侧面光强分布图景演化特征。结果表明,当右手材料和双负材料折射率值恰好相反,并且左、右两侧右手单元长度之和等于双负单元长度时,可以实现输出面光强的完美还原;当双负材料折射率绝对值增大时,实现光强还原所需中间双负单元长度也越长,反之,绝对值减小时,长度越短;对于有损介质,电、磁振荡因子越小,输出光波性能越良好。进一步探究了ζ因子和指数截断因子a对这类光波传输特性的影响,其中,ζ因子不会影响艾里高斯光束的固有性质,但ζ越小,自弯曲特性越明显,并且主、旁瓣的径向尺寸都随ζ的减小而成倍减小;a因子可以调控光波的传输轮廓,使其在a<0.2时为艾里光束,而当a逐渐增大到0.7时,光波的外形轮廓已和高斯光束无异。     

圆形周期介质内艾里光束的传输特性

为了研究无衍射光波在特异材质内的传输特性，实现更优良的光波通信，将传统右手材料和双负折射率材料相结合，提出了一种轴向阶跃变化周期圆形介质结构。基于广义惠更斯-菲涅耳光学积分公式，结合光学传输矩阵，分析了艾里光束在这种传输媒质中出射表面光强分布特性和侧面传输光强分布图；分析了负折射率参量对这类光波演变的影响及其补偿机理；分析了实现输出光波完美还原时，负折射率大小同介质单元长度的定量关系。结果表明，当介质孔径逐渐减小时，有限艾里光束衍射效应越来越严重，并且出射光强外形轮廓逐渐从艾里光束过渡到高斯光束；当双负折射率材料的折射率n_l的绝对值大于右手材料的折射率n_r时，出射表面实现光波完美还原的双负折射率材料单元层越长，反之则越短。该研究对分析周期或准周期轴向阶跃变化的圆形平板介质光波通信是有帮助的。     

艾里光束调控与三维显微成像应用

艾里光束具有无衍射、自修复和自加速的传播特性,在光操控、非线性光学、光学成像等领域受到关注.本文介绍利用空间光调制器所构建的4f系统产生和调控艾里光束的方法.通过调控艾里光束的自弯曲传播点扩散函数,设计并实现了艾里光束三维重建显微镜,研究了该显微镜的成像性能,在40×/0.75 NA物镜下实现了横向分辨率约为0.5μm...     

艾里光束的远场特性及其演化规律

从艾里光束的理论基础出发,详细研究了艾里光束的远场传输特性,包括场强分布、光斑直径和桶中功率(Power in the Bucket,PIB)的演化过程。探讨了场强分布随截断因子a和任意横向刻度x0的变化规律,以及a和x0对艾里光束保持无衍射性质传输的距离(Distance with Keeping Non-diffraction,DKNd)、演化成类高斯分布的距离(Distance in which the Evolution became similar Guassian,DEG)和自弯曲程度(Self-bending Degree,SbD)的影响。研究发现:场强分布在演化成类高斯分布过程中,DKNd、DEG和SbD都随着x0的增大而增大,DKNd和DEG随a的增大而减小,a对SbD无影响。研究了艾里光束的光斑直径和PIB的演化规律, 发现在a值不同的情况下,在传输过程中光斑直径先保持不变后增加,PIB先减小后增大,最终等于0.76。     

洛伦兹-高斯光束的传输特性

洛伦兹-高斯光束是用于描述某些发散程度较大的激光光源而引入的,在源平面上的q参数趋向于无穷的条件下,洛伦兹-高斯光束退化为洛伦兹光束.基于柯林斯积分公式,导出了洛伦兹一高斯光束经傍轴abcd光学系统的解析传输公式,进行了相关的数值计箅以揭示其傍轴传输特性.基于矢量瑞利-索末菲衍射积分公式,导出了矢量洛伦兹-高斯光束非傍轴条件下的解析传输公式,进行了相应的数值计算;作为一般公式的特例,给出了相应的远场表达式和傍轴结果.     

厄米-双曲余弦-高斯光束的束腰宽度

从二阶矩定义出发,推导出了厄米双曲余弦高斯光束束腰宽度的解析表达式,作为特例给出了厄米余弦高斯光束、双曲余弦高斯光束、余弦高斯光束及厄米高斯光束束腰宽度的表达式;进行了数值计算及分析。     

掺镱光纤放大器中脉冲自相似演化特性分析

为了研究自相似演化对于高功率超短脉冲系统产生的影响,采用非线性薛定谔方程,对掺镱光纤放大器中自相似解进行了理论分析,得到初始脉冲、脉冲宽度、增益系数、增益色散等参量变化时对其自相似演化产生不同的影响.结果表明,初始脉宽不同时,只有其初始色散长度和光纤长度相接近时,才可以实现脉冲自相似的演化;初始输入脉冲不同时均能演化成抛物线形,但是演化的进程不同;大的增益系数可以获得高功率、宽频谱的自相似脉冲;增益色散对自相似放大起滤波作用.研究结果对设计自相似脉冲放大器具有一定的借鉴价值.     

大模场光子晶体光纤中超连续谱的产生与控制

探索利用大模场光子晶体光纤产生大功率、高光束质量的超连续谱。采用分步傅里叶方法求解广义非线性薛定谔方程(GNLSE), 模拟了光脉冲在大模场光子晶体光纤中非线性传输和超连续谱的产生过程。着重分析了光子晶体光纤长度和抽运脉冲的峰值功率、啁啾等对超连续谱产生的影响, 讨论了大模场光子晶体光纤中光谱的非线性展宽机制。发现可将超连续谱产生过程分为初始展宽、剧烈展宽和饱和展宽三个阶段。合理选择光纤长度, 使产生的超连续谱处于剧烈展宽阶段时输出, 既能够得到较宽的光谱, 又能够保证较高的效率。抽运峰值功率对超连续谱的产生有重要影响, 当输入功率较小时, 脉冲的频谱成对称展宽, 仅有自相位调制(SPM)效应起作用, 其他高阶效应的影响都很弱。随着脉冲功率的增加, 频谱短波方向变化较小, 光谱向长波方向展宽。同时, 脉冲时域出现振荡调制, 振荡的起因与光波分裂现象有关。抽运光初始啁啾对超连续谱的产生也有重要影响。当啁啾为正时, 啁啾量的大小对产生超连续谱的影响较小, 蓝移方向基本没有影响, 而红移部分能量随着啁啾量的增大向长波方向转移, 超连续谱总的宽度变化较小; 当啁啾为负且满足一定条件时, 其中的非线性作用得到增强, 有利于光谱展宽。     

拉盖尔-高斯光束在含拓扑绝缘体周期薄膜中的传输特性

基于平面角谱扩展法和4×4矩阵传输理论,研究了拉盖尔-高斯光束(LGB)在含拓扑绝缘体(TI)周期性层状薄膜中的反射和透射特性,对线偏振的LGB入射到周期性层状薄膜中的反射场和透射场的强度分布进行了分析和详细讨论。研究结果表明,TI的拓扑磁电极化率(TMEP)和薄膜的周期个数对强度分布有很大影响,通过改变TMEP或周期个数可以操纵涡旋光的光场。所提方法不仅可以推广到其他含TI的多层介质体系,而且对进一步研究TI光子晶体中的光子能带结构和带隙具有一定的意义。     

二维谐振子调制势中光束传输特性研究

运用自相似方法,求出了二维谐振子调制势下光束的传输方程的精确解析解,并对光束在传输距离一定时其传输特性随量子数的变化规律进行了数值分析.结果表明,在谐振子势调制下,光束传播的波函数解为厄米特函数,且在能量峰值上表现出类似于亮孤子的中间能量高于外围能量的特性,在几何分布上形成矩阵或方阵式波包.波包总数受x、y方向的量子数取值影响,波包能量幅值沿x、y轴的正负向均逐渐增大且关于矩阵的对角线或x、y轴对称。     

基于高阶辛算法的纳米器件本征问题仿真

研究精确和高效的数值方法是现代纳米器件建模和优化的重要目标之一,而分析大部分纳米器件特性的切入点是确定器件结构的能量本征值和能量本征态。本文提出了一种新的算法—高阶辛时域有限差分法(SFDTD(3,4): symplectic finite-difference time-domain)求解含时薛定谔方程。在时间上采用三阶辛积分格式离散,空间上采用四阶精度的同位差分格式离散,建立了求解含时薛定谔方程的高阶辛时域有限差分算法。将高阶辛算法SFDTD(3,4)用于一维量子阱中盒中粒子和谐振子的仿真中,实验结果表明SFDTD(3,4)法比传统的时域有限差分算法以及高阶时域有限差分算法更加准确,适用于对纳米器件本征问题的长时间仿真。     

高斯光束通过空间滤波器的传输特性

采用矩阵分解和用有限个复高斯函数之和逼近硬边光阑窗口函数相结合的方法,从柯林斯衍射积分公式出发,对高斯光束通过空间滤波器的传输特性进行了分析,得到了相应的解析式。通过对解析式的数值模拟,得出了直观的结果,并进行了误差分析。数值计算结果表明,最佳滤波小孔尺寸的选择和计算误差均与光束的截断参数有关。在此基础上,进一步研究了空间滤波器具有像传递功能时,高斯光束和平顶高斯光束(N=12)通过空间滤波器的传输特性,得出了截断参数与滤波后光强分布的关系,并证实了此方法也可用于计算其他类型光束通过空间滤波器的传输。     

部分相干光束的聚焦特性

基于部分相干光的传输方程,研究了光强为高斯分布、空间相干度函数为零阶贝塞耳函数的部分相干光束的聚焦特性。研究结果表明,在几何焦点附近的光强分布不仅依赖于入射的部分相干光束的光强分布,而且还依赖于部分相干光束的空间相干度。当空间相干长度、焦距等参数取某些特定值时几何焦点附近的光强分布将出现平顶光束的分布形式;另外,当空间相干长度取值改变时几何焦点附近的光强分布将出现局域空心光束的分布形式。基于此,可以通过改变部分相干光束的空间相干度来实现对几何焦点附近光强分布的控制,从而获得需要的光强分布。     

啁啾激光调控谐波截止能量及强度的研究

为了调控谐波辐射过程,采用数值求解3维薛定谔方程的方法,进行了啁啾激光对调控谐波辐射截止能量及强度的理论分析。通过分析激光包络图、电子电离几率、谐波辐射时频分析图,给出了谐波截止能量延伸以及谐波强度增强的原因。结果表明,在负向啁啾场下,谐波截止能量附近的强度与无啁啾参量相比增强了1个数量级;当引入半周期调控激光场后,谐波截止能量得到有效延伸;适当叠加谐波谱上的谐波,可获得一个46as的脉冲;该脉冲强度比无啁啾参量下获得的脉冲强1个数量级。该研究对调控谐波的辐射过程及阿秒脉冲的输出是有帮助的。     

高斯光束通过失调空间滤波器的传输特性

采用矩阵分解的方法,从柯林斯衍射积分公式出发,对高斯光束通过失调空间滤波器的传输特性进行了分析,得到了相应的解析式.通过对解析式的模拟,得出了直观的结果,并对模拟结果进行了分析.     

非局域椭圆厄米—高斯空间光孤子与相移

研究了椭圆厄米-高斯光束在强非局域非线性介质中的传输特性。依据强非局域介质响应函数特征宽度远大于光束束宽的原理,对介质响应函数做两次泰勒级数展开,都近似取到二阶,得到了非局域非线性薛定谔方程对应的近似的拉格朗日密度函数。在此基础上,运用变分法得到了椭圆厄米-高斯光束各参量的演化方程、演化规律和两个临界功率。当光束、响应函数的椭圆率满足一定条件时,两个临界功率可以相等。当初始功率等于这一临界功率,光束从光腰处入射时,可得到椭圆厄米-高斯空间光孤子。进一步分析发现椭圆厄米-高斯空间光孤子的相移与介质椭圆率和孤子阶数有密切关系,当介质椭圆率和孤子阶数取不同值时,可产生大的正相移、零相移,甚至负相移。