若干特殊光束的理论推导和性质研究

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自从2007年Airy波包从量子力学引入光学之后,自加速光速吸引了学术界极高的关注。作为傍轴波动方程(等同于薛定谔方程)的精确解,Airy光束沿着抛物线轨迹传播并具有自愈和无衍射的特性。之后几年,关于Airy光束的各种可能的应用也被提出,比如引导微观粒子的运动、制造弯曲的等离子通道以及按照特定通道发送表面等离激元(SPPs)。但是这些应用都是在傍轴近似的条件下给出的。如果当一个自加速的Airy光束沿着一个弯曲角度特别大的曲线传播,原有的傍轴近似假设就会失效。本文从理论角度探寻两种新型的无衍射光束,从麦克斯韦方程出发,参考相对论的时空协变处理,提出“含时贝塞尔光束”的概念。我们所研究的含时贝塞尔光束解析式是在一定的简单假设下获得的。在不同的假设下,会获得不同的解析结果。本文主要讨论了两种假设,一个是平面波假设,一个是衰减波假设,我们从中我们也分别得到了无衰减的含时贝塞尔光束与衰减的含时贝塞尔光束。我们获得了这两种光束的严格解析式,并对其性质进行研究分析。对于无衰减的含时贝塞尔光束,我们深入分析了其传播特性,发现了该光束传播过程中的强度恒定性,并简单探讨了其临界条件与相对论光锥之间的关联。对于衰减的含时贝塞尔光束,除了具有和无衰减的含时贝塞尔光束的类似性质,我们还发现其与电动力学中电磁波的趋肤效应及穿透深度的相似性。本文第一章是绪论。绪论简单介绍Airy光束、半贝塞尔光束、马修光束等特殊光束。第二章主要介绍了无衰减含时贝塞尔光束。该光束吻合贝塞尔光束的无衍射特征;在时空双曲线上强度保持不变;光场时空特性的临界条件类似于相对论中的光锥。第三章主要介绍了衰减含时贝塞尔光束。相比于第二章介绍的无衰减含时贝塞尔光束的无衰减情形。这种情形下,在y方向上是呈衰减状态的。在z方向上是产生相位变化,随着时间演化,在每一个x、t的时空双曲线上可看做无衍射。而这又和电动力学中的趋肤效应和穿透深度时的情形非常类似。第四章是对本论文内容的总结和展望。
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