偏振涡旋光场的光束位移效应研究

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光在两种不同介质的界面上会发生反射和折射,对于实际光束而言,其横截面总是有限的,入射光中包含了一系列不同波矢的平面波,界面上反射和折射光束的中心位置相较入射光束中心而言会有一定的偏移,同时反射角和折射角与传统光学定律预测的结果也存在一定程度的偏差,上述现象统称为光束位移效应。平行于入射面的侧向位移,称为古斯-汉森(Goos-H(?)nchen,GH)空间位移,而垂直于入射面的横向位移,则为伊姆波特-费德洛夫(Imbert-Fedorov,IF)空间位移,与上述空间位移对应的角度偏转称为角度位移。光束位移效应普遍存在于光学系统之中,对光束位移效应的深入研究具有重要的理论和应用价值。近年来,人们对于具有角动量的光束位移效应产生了浓厚的兴趣,进一步利用介质的非线性效应,还可对光束位移效应进行灵活的调控。偏振涡旋光场由于同时携带轨道和自旋角动量,成为自旋光子学和拓扑光子学领域的热点研究对象,在微粒操纵、量子信息编码、超分辨显微成像等领域都具有广泛的应用前景。本文主要研究偏振拉盖尔-高斯涡旋光束入射到两种不同界面时产生的光束位移效应,包括GH和IF空间位移以及相对应的角度位移,同时考虑介质非线性对光束位移的影响,建立轨道和自旋角动量光子调控的新方法,在全光开关、频率转换、量子通信等方面均有重要的现实意义。本文的主要研究内容如下:(1)基于傅里叶变换理论,对全反射和部分反射条件下的光束空间和角度位移效应进行了数值模拟。以高斯光束和拉盖尔-高斯光束为例,给出了入射角与位移量之间的变化关系,数值模拟结果与理论计算完全吻合。同时,分析了二级光束(反射和折射光束)横截面的光强分布,在实空间和波矢空间分别直观地呈现了光束位移现象的基本特征。(2)研究了不同偏振和拓扑荷的拉盖尔-高斯光束的线性光束位移效应,分析了波长、入射角、介质相对折射率等因素对位移结果的影响,并重点探究了自旋角动量和轨道角动量与位移量之间的变化关系。其中,自旋角动量主要影响全反射和部分反射时的IF空间位移,轨道角动量则对部分反射情形下GH和IF空间位移以及相应角度位移的大小和方向均会产生显著影响。(3)探讨了偏振涡旋光场的非线性光束位移效应,并分析了入射角和光强对位移量的影响。全反射条件下,随着入射角的增加,GH空间位移会先急剧减小后逐渐趋于稳定,IF空间位移略有增加,但改变量不明显;当入射光强增加时,GH空间位移量逐渐减小,IF空间位移则随之增加。此外,对部分反射情形下的非线性光束位移效应进行了模拟,并重点探究了非线性介质折射率的计算方法。较小的相对折射率改变量并不会对位移量带来明显影响,反射光束和透射光束在光强增加时,位移量仅表现出微小变化。
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