原子介质中非傍轴自加速光泰伯效应及蜂窝光晶格研究

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泰伯效应也称周期结构自重现效应,有整数泰伯效应和分数泰伯效应,是一种近场衍射和干涉效应。泰伯效应在光学计算、光刻、光成像等领域具有重要应用。原子介质因其可重构性、参数灵活可调等特性,在空间光场调控相关研究领域被大量研究。自加速光因其无衍射、自弯曲、自加速、自愈合等特性,激发了诸多领域科研学者的研究兴趣并得到了广泛研究。值得一提的是,自加速光场的自加速行为是指光场主瓣的传输动力学特征自加速,而整个波包并不经历加速,波包质心的演化轨迹为直线。另外,非傍轴条件下的圆形自加速光只是非傍轴Mathieu自加速光的特例,而傍轴Airy光束只是非傍轴Weber光束在进行傍轴近似后的结果。光晶格因其周期性排列结构和各向异性光诱导折射率等特性,引发诸多领域研究学者的关注。利用三光束干涉法可以在干涉平面产生蜂窝光晶格。在光晶格研究中,适当调节光晶格系统光学参数,计算模拟传输结果,在光波调控、光学成像、光学测量等领域具有重要研究意义及应用价值。基于上述背景,本文研究了自加速光的传输调控、在原子介质中非傍轴自加速光的泰伯效应以及调控光晶格诱导折射率实现光局域,完善了泰伯效应体系和光局域体系。主要内容如下:(1)、非线性介质中自加速光的传输调控。该工作首先根据密度矩阵运动方程给出系统极化率。接下来,该工作研究了在无失谐条件下,控制光场强度对系统极化率的影响;模拟了自加速光在非线性三耦合非对称量子阱介质中的自加速传输过程和截趾光束的自愈合过程;对比了无失谐本征模式在无失谐介质和有失谐介质中的传输稳定性。研究发现通过适当调控控制场强度,可以在无失谐处实现系统极化率虚部为零,光传输损耗达到最小;另外,从本征模式传输的角度也证明了系统的失谐会加速光传输的衰减。(2)、在原子介质中非傍轴自加速光泰伯效应的产生。该工作首先构建三能级钠原子结构,求解原子蒸汽中的非傍轴光传输方程(亥姆霍兹方程)的本征模,模拟本征模式叠加产生泰伯效应。接下来,基于亥姆霍兹方程叠加本征模,对非傍轴自加速光传输产生的分数泰伯效应进行理论研究,并利用分步傅立叶算法数值模拟光传输。第四章研究了不同控制场强度下,极化率大小随泵浦场失谐的变化情况;模拟了非傍轴自加速光束的传输轨迹;并实现了自加速光在主瓣光强为零下,随传输距离增加展现的自愈合效应;对比了传输方程在两种不同求解方法下对应的数值解与解析解,并分别模拟泰伯效应,研究发现数值解展现的泰伯效应与解析解展现的泰伯效应一致,它们在相同的分数泰伯长度处的光强分布相同。研究结果表明自加速光在EIT(电磁诱导透明)窗口下衰减更慢,传输更稳定。EIT可以有效地抑制光在介质中传输时介质对光的共振吸收,减小极化率,具有强色散和无吸收特性。为了进一步观察泰伯效应,还对自加速光弯曲传输轨迹(加速轴)上的光传输进行展开。适当选取光束参数可以产生泰伯效应,另外,调节光束径向差可以改变泰伯角,进而产生泰伯效应。该工作丰富了对泰伯效应的理解。(3)、调控蜂窝光晶格折射率实现光局域。该工作首先利用三平面波干涉法,在干涉平面产生六角蜂窝光晶格结构;接下来,基于平面波展开法画出晶格能带图。本章研究了在线性(非线性)情况下,高斯光在蜂窝晶格中传输引起的晶格折射率变化及对应的线性(非线性)光传输。在线性情况下,通过调节光晶格晶轴角度和外部偏置场角度观察晶格诱导折射率的变化。在非线性情况下的晶格诱导折射率情况下,展示了不同传输距离下轴线上的折射率分布。最后,用高斯光在线性(非线性)晶格折射率下进行了传输模拟,发现线性传输时,高斯光离散衍射明显;而非线性传输展现出很好的光局域现象。
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