光場調(diào)控與非線性光學(xué)效應(yīng)研究.pdf

1、隨著對（激）光研究和應(yīng)用的不斷深入，標(biāo)量光場（即均勻偏振光場，其在波陣面上任意位置具有相同偏振態(tài)）的局限性已突顯，研究復(fù)雜結(jié)構(gòu)光場已成為光場調(diào)控的發(fā)展趨勢?？梢韵胂螅粢肟臻g調(diào)控自由度，對光場波陣面的偏振態(tài)、位相和振幅等多參量在時域和空域進(jìn)行聯(lián)合調(diào)控，創(chuàng)建各種新穎的空間結(jié)構(gòu)光場，尤其是基于偏振態(tài)的空域調(diào)控，創(chuàng)建具有空變偏振態(tài)分布的矢量光場，必將產(chǎn)生諸多新穎的效應(yīng)和現(xiàn)象、發(fā)展新技術(shù)和拓展新應(yīng)用。光場空域調(diào)控為光傳播行為的操控、新穎效應(yīng)的

2、發(fā)現(xiàn)及潛在應(yīng)用的挖掘提供了新的思路和途徑。
　　空間結(jié)構(gòu)光場具有諸多新穎特性以及令人驚奇的潛在應(yīng)用，在超分辨成像、非接觸生物大分子操控、光鑷、量子信息、光學(xué)微加工等諸多領(lǐng)域，均表現(xiàn)出傳統(tǒng)標(biāo)量光場難以企及的巨大優(yōu)勢。事實(shí)上，對空間結(jié)構(gòu)光場的研究已經(jīng)發(fā)展成為一個全新的、跨領(lǐng)域的交叉學(xué)科。本論文的一個重要內(nèi)容是介紹相關(guān)領(lǐng)域的重要進(jìn)展（對應(yīng)第一章內(nèi)容）。更重要的是，該學(xué)科正處于蓬勃發(fā)展的階段，國內(nèi)外均面臨同樣的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，特別適合進(jìn)入相關(guān)

3、領(lǐng)域，開展原創(chuàng)性研究，而本論文重點(diǎn)研究空間結(jié)構(gòu)光場的生成方法及與介質(zhì)的非線性相互作用，主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)包括（依次對應(yīng)第二至第五章內(nèi)容）:
　　1.提出一種基于4f成像系統(tǒng)的渦旋光束對產(chǎn)生方案，通過二維計(jì)算全息技術(shù)，可生成具有任意軌道角動量組合的光束對，且在共同像面處光強(qiáng)分布與拓?fù)浜蔁o關(guān);提出并闡釋非簡并軌道角動量二次諧波產(chǎn)生過程，采用非共線一類位相匹配，可產(chǎn)生任意拓?fù)浜蓴?shù)的倍頻光場（特別是奇數(shù)和非整數(shù)），突破傳統(tǒng)倍頻實(shí)驗(yàn)配置只能產(chǎn)

4、生偶數(shù)拓?fù)浜啥沃C波的限制，同時驗(yàn)證了二次諧波產(chǎn)生過程中，光子軌道角動量守恒的普適性。
　　2.提出一種基于Sagnac干涉儀的矢量光場生成系統(tǒng)。將矢量偏振模式表示為光子自旋角動量和軌道角動量糾纏態(tài)，并將對復(fù)概率幅的控制轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)參量的調(diào)控。實(shí)驗(yàn)中，通過螺旋位相板控制光場拓?fù)浜?引入幾何位相概念，保持動力學(xué)位相不變，可調(diào)控順時針分量和逆時針分量間的相對位相;在環(huán)路外設(shè)置可調(diào)位相補(bǔ)償器，實(shí)現(xiàn)局域線偏振和雜化偏振矢量光場的相互轉(zhuǎn)換。該

5、方案理論轉(zhuǎn)換效率可達(dá)100％，適用于低功率甚至單光子系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)測量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到83％，損耗主要來源于光學(xué)器件的傳輸損耗。該方案不僅可用于生成連續(xù)矢量偏振光場，還可用于生成超短脈沖矢量光場，同時使用的光學(xué)元件均具有較高的激光損傷閾值，因而適用于高功率激光系統(tǒng)，另外由于閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性高，該實(shí)驗(yàn)配置具有較強(qiáng)的抗噪能力。
　　3.提出一種偏振態(tài)空間非均勻分布引發(fā)的強(qiáng)光自聚焦效應(yīng)。推導(dǎo)了矢量光場在各向同性介質(zhì)中傳播的全矢量耦合非線性波動方程

6、，揭示介質(zhì)非線性折射率改變對局域偏振態(tài)的依賴關(guān)系，通過設(shè)計(jì)光場偏振結(jié)構(gòu)引入偏振依賴的空間非均勻折射率感應(yīng)變化,可對強(qiáng)光自聚焦效應(yīng)進(jìn)行主動精確控制。數(shù)值模擬表明對于一種旋向變化的雜化偏振矢量光場，非線性傳播過程中將產(chǎn)生多個自聚焦焦點(diǎn)，焦點(diǎn)的數(shù)量等于光場拓?fù)浜山^對值的四倍,焦點(diǎn)的位置對應(yīng)矢量光場局域線偏振態(tài)的位置。并構(gòu)建交叉耦合模型解釋了偏振依賴自聚焦效應(yīng)背后的物理機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬相吻合。
　　4.提出一種能夠誘導(dǎo)產(chǎn)生可主動控

7、制的Multiple Filamentation(MF)效應(yīng)的物理機(jī)制，產(chǎn)生的多個光絲之間具有穩(wěn)定的位相關(guān)系?？臻g對稱破缺源于偏振態(tài)依賴的非線性折射率改變，通過光場調(diào)控的手段，控制光場偏振態(tài)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)對MF效應(yīng)的精確控制。設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)生成了一類特殊的旋向變化雜化偏振矢量光場，并推導(dǎo)了可用于描述此類光場成絲過程的耦合非線性薛定諤方程。通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，盡管入射光場具有軸對稱強(qiáng)度分布，在非線性傳播過程中將產(chǎn)生自發(fā)空間對稱破缺，對