艾里-高斯光束在光折变介质中的孤子脱落

以非线性薛定谔方程为理论模型,采用分步傅里叶方法研究了光折变介质中艾里-高斯光束的传输特性。结果表明:满足一定条件时,光折变介质中会形成周期振荡的空间孤子;介质的非线性系数越大,形成空间孤子所需的传输距离越短,孤子的振荡周期越小;当艾里-高斯光束的初始入射功率在一定范围内时,光折变介质中才会形成稳定的空间孤子;在空间孤子形成时,由于局部能量竞争,会出现光束分裂成丝现象。此外,还研究了微噪声扰动对艾里-高斯光束在光折变介质中传输稳定性的影响。     

厄米余弦高斯光束在梯度折射率介质中的传输特性

基于广义惠更斯-菲涅耳衍射积分法,对梯度折射率介质中的厄米余弦高斯光束传输特性进行了研究,得出了在梯度折射率介质中厄米余弦高斯光束的光场表达式,并利用此表达式作数值模拟,研究了梯度折射率介质对厄米余弦高斯光束传输特性的影响。结果表明:光强在轴上分布呈现空间周期性变化,最大光强位置与梯度折射率系数β有关;随着调制参数α的增大,轴上最大光强逐渐减小而且出现了空心分布。在同一传输面上横向光强随梯度折射率系数β增加,先增大后快速减小;并且发现调制参数α变大,光强不变,但是束腰宽变窄。     

色散透镜系统中宽带厄米-高斯光束的焦移

为了了解带宽对厄米-高斯光束的聚焦特性和焦移的影响，采用衍射积分推导了TEM₁₁模和TEM₂₂模厄米-高斯光束通过受光阑限制色散透镜的传输公式，并利用数值计算对聚焦光强分布进行了研究，分析了带宽对两种模式焦移的影响。结果表明，TEM₁₁模和TEM₂₂模厄米-高斯光束的焦移量都会随带宽增大而增大，但两者的大小依赖相对带宽；当相对带宽小于0.25时，TEM₂₂模焦移量大于TEM₁₁模焦移量，然而相对带宽大于0.25时，后者会稍大于前者；带宽变化使TEM₂₂模轴上光强主极大和次极大发生消长，从而引起轴上光强极大位置发生跃变。该研究结果对宽带厄米-高斯光束的应用具有一定的参考价值。     

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。     

强非局域介质中的厄米-椭圆高斯空间光孤子

研究了傍轴厄米-椭圆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,对非局域非线性薛定谔方程进行了近似简化,得到了介质响应函数为椭圆对称情形下的强非局域模型.在此基础上利用分离变量法得到了厄米-椭圆高斯空间光孤子解析解及其形成的条件.进一步研究发现,随着厄米-椭圆高斯空间光孤子阶数的增大,光束束宽增大,介质的非局域程度相对减弱;要获得高阶椭圆高斯空间光孤子,必须提高非局域介质的非局域程度.最低阶的厄米-椭圆高斯空间光孤子就是椭圆高斯空间光孤子.     

圆艾里高斯涡旋光在各向异性非Kolmogorov湍流大气中的传输

采用非均匀采样与功率谱反演法产生与湍流尺度相关的各向异性非Kolmogorov湍流随机相位屏,进而利用空间光调制器模拟研究圆艾里高斯涡旋光束在大气湍流中的漂移特性和轨道角动量态变化。数值模拟和光学实验结果均表明,圆艾里高斯涡旋光束的漂移值随光束衰减系数、光束主半径、大气湍流外尺度和传输距离的增大而增大,随湍流各向异性系数和光束拓扑荷值的增大而减小,并且在湍流幂律值为3.3附近有极大值。此外,通过对比圆艾里高斯涡旋光束经过大气湍流前后的干涉条纹图样,发现整数阶时拓扑荷值越小,光束经过湍流之后拓扑荷值稳定性就越好。     

左右手材料光子晶体的双重光学滤波功能

为了设计高品质、高性能的光学滤波器件,采用传输矩阵法,研究左右手材料构成的光子晶体（HL）mDl（LH）m的窄带和宽带通道双重光学滤波功能,并进行了计算机仿真。介质层H是左手或右手材料时,随着排列周期数m增大,在频率ω/ω₀奇数倍处均出现单条窄透射峰;当m不等值变化时,ω/ω₀奇数倍处透射峰透射率均下降且下降速度相同,而ω/ω₀偶数倍处通带透射率不变;H为左手材料时,ω/ω₀偶数倍处还出现通带,且m越大透射峰或通带越窄,ω/ω₀奇数倍处及周围还出现多条窄透射峰。结果表明,光子晶体由左右手材料组成时将得到更好的宽、窄带双重光学滤波效果及调制方法。该研究对新型光学滤波器件的研究和设计具有指导作用。     

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。     

双曲余弦高斯光束在非Kolmogorov湍流中的湍流距离

为了研究双曲余弦高斯光束在非Kolmogorov湍流中的扩展,采用广义惠更斯-菲涅耳原理,推导出部分相干双曲余弦高斯光束在非Kolmogorov湍流中的湍流距离zt的解析表达式。对湍流参量(广义指数、内尺度l0、外尺度L0)和光束参量(相干参量、离心参量)对湍流距离的影响进行了理论分析。结果表明,zt随的增大而先减小后增大,且在=3.11处存在zt极小值;zt随l0和的增大而增大,随L0(仅当3.64时)和的增大而减小。这一结果对双曲余弦高斯光束在实际湍流中传输的相关应用是有帮助的。     

有偏压光伏光折变晶体中自加速光束交互效应的理论研究

采用分步傅里叶法理论探究了有限能量艾里光束和非线性加速光束在有偏压光伏光折变介质中的交互效应。结果表明:调节光束初始间隔和入射角度可使同相位或反相位有限能量艾里光束相互吸引或排斥。同相位时不仅产生呼吸孤子和孤子对，在适当参数条件下还可形成分叉孤子；反相位时仅有孤子对产生；同相位非线性切趾加速光束交互可以产生奇数个呼吸孤子，反相位非线性切趾加速光束交互可以产生偶数个呼吸孤子对。此外，呼吸孤子的峰值强度、呼吸周期和相互作用力的大小均可以通过外部偏压和入射角度进行有效调控。研究结果可为艾里光束交互调控提供理论基础，同时在全光信息处理和光学网络器件制备等领域具有潜在的应用前景。     

双曲余弦高斯光束在梯度折射率介质中的束腰宽度及其位置

为了研究梯度折射率介质中双曲余弦高斯光束的束腰及其位置,推导出了双曲余弦高斯光束在梯度折射率介质中的传输场,并运用空间二阶矩的定义解出了光斑尺寸、束腰宽度及位置的表达式,讨论了梯度折射率介质对双曲余弦高斯光束的光斑尺寸、束腰宽度及位置的影响。研究结果表明:梯度折射率介质中光斑尺寸随传输距离的增加出现了周期性变化,周期由折射率系数决定;随偏心参数的增大,束腰宽度先逐渐减小再逐渐增大后趋于稳定;并且发现偏心参数决定光斑尺寸振荡幅度。     

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。     

厄米-高斯光束在饱和非线性介质中的传输特性

为了研究厄米-高斯光束在光折变饱和非线性介质中的传输特性,采用有限差分方法数值求解了光波演化方程,理论分析了厄米-高斯光束的传输特性。结果表明,1维1阶、2阶和3阶厄米-高斯光束在光折变非线性介质中传输时,在合适的非线性条件下,均可以形成呼吸模式的孤子;随着非线性的加大,厄米-高斯光束的光场分量之间的相互分离趋势将逐渐变弱,同时,每个光场分量的振幅起伏效应会更加明显;改变厄米-高斯光束的入射位置、入射角度对其传输特性没有影响;2维厄米-高斯光束的传输特性和1维情况是类似的。厄米-高斯光束的这些特性在光开关领域有一定的应用前景。     

非Kolmogorov大气湍流对高斯阵列光束光强闪烁的影响

基于广义惠更斯-菲涅尔原理,采用Rytov方法推导了径向分布高斯阵列光束在非Kolmogorov湍流大气中传输时的光强闪烁指数表达式,分析了径向半径r0、光束个数N、广义指数及传输距离L对轴上和离轴闪烁指数的影响。结果表明:轴上和离轴闪烁指数随着的增加均先增大后减小,值得注意的是不同的r0光束的闪烁指数达到极大值所对应的略有不同,轴上闪烁指数随着r0的增大达到极大值所对应的呈减小趋势,而离轴闪烁指数随着r0的增大达到极大值所对应的呈增大趋势;光轴附近各阵列光束的闪烁指数小于高斯光束的闪烁指数,随着px的增大阵列光束闪烁指数将大于高斯光束闪烁指数。当r0相同时N越大闪烁指数越小,当N相同时闪烁指数随r0的增大非单调变化,而是存在一个极小值。     

湍流大气中聚焦高斯光束焦移的数值模拟分析

湍流大气不仅使在其中传输的聚焦高斯光束的束腰处光斑发生扩展,也使光束的束腰位置发生移动。采用不均匀分布相屏的傅立叶变换法数值模拟了湍流对聚焦高斯光束束腰位置的影响,发现在湍流大气中传输的聚焦光束不再聚焦在真空传输的焦点处,焦点的移动与湍流强度和初始光束半径有关。数值模拟结果表明:聚焦高斯束在均匀湍流强度的水平路径传输上传输时,湍流将导致光束的焦点向发射点移动,而且焦移的幅度随着湍流强度的增大而增大;在同等强度湍流大气中传输的聚焦高斯光束,其焦点前移的幅度将随着光束半径的增大而减小。     

湍流大气中聚焦高斯光束焦移的数值模拟分析

湍流大气不仅使在其中传输的聚焦高斯光束的束腰处光斑发生扩展,也使光束的束腰位置发生移动。采用不均匀分布相屏的傅立叶变换法数值模拟了湍流对聚焦高斯光束束腰位置的影响,发现在湍流大气中传输的聚焦光束不再聚焦在真空传输的焦点处,焦点的移动与湍流强度和初始光束半径有关。数值模拟结果表明：聚焦高斯在均匀湍流强度的水平路径传输上传输时,湍流将导致光束的焦点向发射点移动,而且焦移的幅度随着湍流强度的增大而增大;在同等强度湍流大气中传输的聚焦高斯光束,其焦点前移的幅度将随着光束半径的增大而减小。     

温度和强度对无偏压串联光折变晶体回路中高斯光束自偏转的影响

为了得到温度和强度对高斯光束在串联光折变晶体回路中自偏转的影响结果,假设一束暗孤子光束和一束高斯光束分别入射到串联光折变晶体回路中的两块晶体上,利用数值计算方法分析了暗孤子的最大光强或所处晶体温度变化对与明孤子匹配的高斯光束自偏转特性的影响.结果表明,高斯光束的偏转程度随暗孤子最大光强增加而增大,随晶体温度的升高而减小.这些结果对光控光器件、温控光器件的工程实现具有重要的参考价值。     

匹配高斯光束在双光子光折变介质中的自偏转

为了研究有外加电场的双光子光折变介质中匹配高斯光束的动态演化及自偏转特性,采用数值模拟的方法,给出了匹配高斯光束在晶体中的动态演化及自偏转图形。结果表明,对于给定的与双光子光折变介质参量匹配的高斯光束,在介质中能演化为稳定的孤子波;考虑扩散效应之后,匹配高斯光束的光束中心将发生自偏转;随着外加电场的增加,高斯光束的自偏转程度增加,当外加电场达到一定强度后,高斯光束的自偏转程度随着外加电场的增加反而减小;高斯光束的自偏转程度随着入射光强的变化关系与外加电场的情况相似。     

线性势作用下艾里-高斯光束的周期演化

以分数薛定谔方程为理论模型,采用分步傅里叶法进行数值模拟,研究了线性势作用对艾里-高斯光束的传输特性和两光束相互作用的影响。结果表明,艾里-高斯光束在无线性势作用时会分裂成两束,有线性势作用时分裂现象逐渐消失,光束传输呈现周期演化,且主瓣能量和旁瓣能量几乎不随传输距离的增加而改变。该周期演化在参数改变时会有不同的表现,据此可调节光束的周期演化过程。线性系数主要影响演化周期,而且它的符号可以控制光束的偏转方向和分布空间;莱维系数则会改变光束的横向振荡幅度,同时光束偏转角度会发生变化,光束的演化路径由近似折线变为曲线。在满足一定的相位条件下,相互作用的两光束的能量会发生周期性互换,随着莱维系数的增大,这种周期性互换现象会消失。这些结果为光束在光开关和光学逻辑器件中的应用以及光束的调节提供了理论参考。     

紧聚焦激光中电子轨迹及空间辐射的非对称性

为了探究不同对撞中心下与紧聚焦圆偏振高斯激光对撞的单个运动电子的3维轨迹和空间辐射特性, 基于激光与电子相互作用及非线性汤姆逊散射的理论框架, 建立模型进行了数值模拟, 并对数值结果进行了可视化分析。结果表明, 电子运动轨迹振幅在λ=₀处达到0.151752λ₀(λ₀1μm)的峰值, 而在-λ₀处达到0.151662λ₀的谷值, 呈现非对称性; 电子的最大辐射角和辐射强度随对撞中心位置具有周期性变化的规律; 辐射脉冲产生的全时段中, 脉冲出现最大峰值的主峰和峰值略低的次峰现象。该研究结果为新一代X射线发生器的建设提供了理论基础。