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[学位]

线性系统中光束的空间调控研究

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Author:

钟华 (钟华.)

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Abstract:

该论文利用理论推导和数值模拟相结合的方法,围绕以下五方面内容进行展开:1)线性势阱对圆域艾里光束的调控作用;2)分数艾里泰伯效应,及分数非傍轴加速泰伯效应;3)原子气体介质中的非傍轴抗损耗光束;4)超级蜂巢光晶格的结构及光在光晶格中的传输特性;5)分数薛定谔方程中的周期性PT对称势阱。
首先,结合理论模型模拟了不同类型的动态线性势阱对于自聚焦圆艾里光束的空间调控。通过推导出一套新颖的理论,用更为简单的方法,得到了圆艾里光束的传播解:基于狄拉克函数极限逼近的思想,引入幅角调制,利用旋转矩阵对圆域光束进行降维,用沿不同方向被调制的一维艾里光束的叠加来模拟二维圆艾里光束在势阱作用下的传播。数值模拟结果与理论期望相契合,验证了理论的合理性。其次,通过设计合理的线性势阱研究二维圆艾里光束在势阱下的传播:相比无势阱情况,线性势阱提供的虚拟力可以有效地调控圆艾里光束的轨迹及聚焦,在传播过程中起到拉伸或压缩的作用,当线性势阱作用 “拉伸力”时,自聚焦效应被减弱甚至消失,当作用“压缩力”时,自聚焦效应被加强,该研究成果可以拓展圆艾里光束在光诱导,光俘获,微粒操控等光学领域的应用。
其次,基于傍轴及非傍轴无衍射光束的自加速特性,研究了分数加速泰伯效应。与传统泰伯效应的形成机制不同,在加速泰伯效应中,不仅不需要周期性的输入光,而且自加速光形成的泰伯成像也是具有自加速特性的。在傍轴近似条件下,通过传输一系列具有横向等间距位移的艾里光束叠加的波函数,得到了分数艾里泰伯效应,这是一种自发的输入光加速自再现现象,其输出成像包含两种形式:分数及整数泰伯距离处的输入光成像。这种效应的产生原因与艾里孤子类似,均来源于艾里光束的干涉叠加,并由此验证了艾里光束的二象性。同样,对于截趾型的艾里光束也可以产生分数艾里泰伯效应,但效果极差,不仅需要很大的横向位移,并且其成像在传播过程中很快消失。此外,基于二维亥姆霍兹方程非傍轴自加速解得到对应的非傍轴加速光束,通过改变分量系数,叠加同轴不同半径沿半圆方向统一加速的非傍轴光束,根据光束干涉结果研究了分数非傍轴自加速泰伯效应,利用泰伯角度描述观测到的泰伯成像,研究发现泰伯角度具有周期性,因而非傍轴加速光与艾里光束类似也具有二象性。以上关于分数泰伯效应的研究成果加深了人们对于泰伯效应的理解,丰富了泰伯效应的形成机制,在光子弹、光显微等方面均有应用。
另外,由于普通光束在气体介质中传播时,能量会很快衰减,这大大限制了原子气体介质的应用,因此本文依据铷原子气体介质Λ能级系统电磁诱导透明(EIT)窗口中的二维亥姆霍兹方程的本征解,构建了可以在介质中实现无损传播的非傍轴抗损耗自加速光的三种形式——半贝塞尔光束,半马丢光束,韦伯光束。通过与普通非傍轴加速光在不同传播条件下进行对比,分析了抗损光束在气体介质EIT窗口中实现无损传播的真正原因是由于抗损耗光束解是根据介质中亥姆霍兹方程本征模构建的,在传播过程中由于光束的自愈合特性,其尾部的能量不断传递给主瓣以弥补主瓣能量的耗散。但这仅仅只限于能量吸收较小的介质才能产生无损耗传播的非傍轴加速光束,当能量吸收过大,会造成尾部能量传递过多,不足以维持光束本身的加速特性。上述结论会扩展原子及类原子气体介质的应用,激发与该领域相关的新想法。
随后,本文研究了超级蜂巢晶格的一系列新奇特性,在紧束缚最近邻跃迁模型下,该晶格能带中包含一个平带及两种不同类型的狄拉克锥。研究发现该晶格是蜂巢晶格和Lieb晶格的结合体,同时包含这两种晶格的性质,即该晶格是同时支持玻色子与费米子共存的系统,这在自然界是不常见的。通过选择合适的输入光激发晶格的平带模式,光束在传播过程中发生强局域。另一方面,激发超级蜂巢晶格狄拉克锥的布洛赫模式,会观测到对应的锥形衍射。此外,由于超级蜂巢晶格中同时包含1/2分数赝自旋及整数0,1赝自旋,因此激发不同赝自旋对应的本征态,还会出现不同类型的光涡旋。该工作被发表在Annalen der Physik上,并被选为当期封面文章,被Advanced Science News 在线报道并高度评价,认为该工作可以激发新的想法带来新的物理现象。
最后,研究了一维及二维具有周期性PT对称性势阱的分数薛定谔方程,对于一维情况,PT势阱在临界点处的能带结构呈线性对称分布,导致输入光发生无衍射传播;同时证明了当激发周期势阱中的一个波导时,相邻波导也会统一被激发,这可以用来产生高功率窄带宽的激光。而在二维情况下,光束在传播过程中出现锥形衍射的可能性取决于PT对称性势阱与分数拉普拉斯算子的竞争关系。该研究被发表在SCI一区期刊Laser Photonics Reviews上,并被选为当期的后封面文章,且被交大主页报道。

Keyword:

超级蜂巢光晶格 非傍轴自加速光 抗损耗传播 泰伯效应 圆域艾里光束

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  • [ 1 ] 西安交通大学电子与信息工程学院

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Basic Info :

Degree: 硕士

Mentor: 张贻齐

Year: 2018

Language: Other

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