曲线轨迹光束的相空间传播分析

论文摘要

曲线轨迹加速光束是一类光强分布随传播发生横向偏移、光瓣沿曲线轨迹传播并伴有无衍射或近似无衍射以及自修复特性的新颖结构化光场。自Siviloglou等人在2007年将量子力学领域的无扩散加速传播艾里波包引入光学领域并在实验上产生了有限能量艾里光束以来,曲线轨迹加速光束迅速成为光场调控领域的研究热点,并在光学微粒操纵、大气光通信、高分辨成像和等离子激元等方面展现出重要的应用前景。尽管近年来人们在曲线轨迹光束的产生、调控及应用等方面取得较多的研究成果,但对曲线轨迹光束独特传播特性的认识仍然不够深入。传统的曲线轨迹光束分析方法仅局限于空域分析或频域分析,而相空间分析方法同时描述了光线的位置与空间频率,它被广泛地应用于量子力学、光学、声学、信号处理和图像处理等领域中。本论文主要基于相空间分析方法研究曲线轨迹加速光束的传播特性,提出并研究了无近轴条件限制的“类艾里”光束以及双曲线轨迹加速光束,并拓展研究了双曲线轨迹加速光束与传统厄米-高斯光束之间的传播特性关系。论文主要的研究工作为:（1）利用光线光学方法分析近轴艾里光束的初始光线传播方向,推导出艾里光束的相空间曲线随传播的演化关系,并分析出光束在传播过程中产生的光线密度变化以及相位偏移特性,最后推导出近轴艾里光束的传播解。利用相空间方法推导出的近轴艾里光束传播公式与利用近轴波动方程或者标量衍射积分公式获得的结果完全一致,相空间表述方法可以解释艾里光束传播公式中各部分所代表的物理意义,有助于理解艾里光束的自加速传播性质及无衍射特性。（2）提出了一种可以在非近轴条件下沿任意抛物线轨迹自加速传播的新型“类艾里”光束。通过分析艾里光束及“类艾里”光束的相空间曲线,推导出“类艾里”光束初始相位的初等函数表达式,并引入振幅衰减函数确保光束的强度分布能沿加速轨迹保持恒定。此外,比较了“类艾里”光束与传统艾里光束的初始相位和振幅分布,并使用标量角谱公式的数值计算方法比较了两种光束的传播特性。结果表明,传统艾里光束的相空间曲线及实空间光场分布均是“类艾里”光束在近轴条件下的近似形式,与传统艾里光束不同的是,“类艾里”光束在非近轴条件下能够保持弱衍射和横向自加速特性。（3）根据预先设计的双曲焦散线推导出双曲线加速光束的初始相位函数和初始复振幅函数表达式,并探讨了双曲线加速光束与厄米-高斯光束之间的关系。结果表明,双曲线加速光束是一种比厄米-高斯光束更大类的光束,其相空间曲线为一椭圆,且相空间曲线会随传播发生旋转和变形。当弯曲参数为整数时,双曲线加速光束具有与厄米-高斯光束几乎相同的初始复振幅分布形式及传播特性。虽然所提出的复振幅近似表达式比通常使用的厄米-高斯函数形式上更复杂,但以初等函数表示的复振幅表达式更清晰地反映了光束的局部振幅、波矢和内部光线结构信息,有助于人们对曲线轨迹光束传播特性的理解。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 吴剑峰

导师: 黄朝红

关键词: 相空间曲线,焦散线,曲线加速轨迹,非近轴传播

来源: 厦门大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 厦门大学

分类号: O43

总页数: 89

文件大小: 8211K

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