負(fù)折射介質(zhì)中激光光束的傍軸傳輸研究.pdf

1、負(fù)折射率介質(zhì)是介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)的一類新型的人工電磁媒質(zhì)。源于其獨(dú)特新穎的物理性質(zhì)和誘人的應(yīng)用前景，負(fù)折射率介質(zhì)獲得了國際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，成為目前最重要的科學(xué)前沿領(lǐng)域之一，被認(rèn)為將對光學(xué)和光子學(xué)產(chǎn)生革命性的影響。本論文針對負(fù)折射率介質(zhì)特有的光學(xué)特性，結(jié)合傳統(tǒng)的激光光學(xué)，在困際上較早開展了激光光束在負(fù)折射率介質(zhì)中的傳輸和控制研究，取得一些創(chuàng)新性研究結(jié)果：
　　 1.用矩陣光學(xué)的方法研究了級聯(lián)負(fù)折射率介質(zhì)平板系統(tǒng)的光束傳輸特

2、性，導(dǎo)出了與負(fù)折射率介質(zhì)平板相關(guān)的ABCD矩陣元表達(dá)式，簡單明了地揭示了傍軸傳輸情況下，高斯光束經(jīng)過不同級聯(lián)負(fù)折射率平板系統(tǒng)時(shí)的傳輸特性，得到了負(fù)折射率介質(zhì)平板內(nèi)外的場強(qiáng)分布，以及高斯光束聚焦和相位補(bǔ)償?shù)臈l件。只要高斯光束在第一塊負(fù)折射率介質(zhì)內(nèi)能夠聚焦，則它在最后一個(gè)正區(qū)域也能聚焦；無論高斯光束住中間層級的正、負(fù)折射區(qū)域內(nèi)聚焦或不聚焦，對最后一個(gè)正區(qū)域內(nèi)的聚焦都沒有影響；如果光束經(jīng)級聯(lián)負(fù)折射率介質(zhì)平板后要獲得復(fù)原或重現(xiàn)，則必須確保它在第

3、一塊負(fù)折射率介質(zhì)平板內(nèi)滿足聚焦的條件。負(fù)折射率介質(zhì)平板系統(tǒng)中高斯光束傳輸?shù)腁BCD矩陣方法，避免了在處理復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)衍射問題時(shí)涉及到的復(fù)雜積分運(yùn)算，國際同行評價(jià)本項(xiàng)研究是目前國際上極少數(shù)研究激光光束在負(fù)折射率介質(zhì)中傳輸?shù)墓ぷ髦弧?br>　　 2.作為負(fù)折射率介質(zhì)平板系統(tǒng)中激光光束傳輸?shù)腁BCD矩陣方法的應(yīng)用，研究了高斯光束在梯度負(fù)折射率介質(zhì)中的傳輸和變換特性。首先，導(dǎo)出了高斯光束在正梯度負(fù)折射率介質(zhì)中的ABCD定律，據(jù)此得到了光束在

4、此介質(zhì)中的傳輸模型，發(fā)現(xiàn)在特定條件下能產(chǎn)生空間孤子和呼吸子形式的傳輸。負(fù)折射率的梯度系數(shù)對平板介質(zhì)的聚焦能力有很大影響：梯度系數(shù)越大，則類透鏡效應(yīng)越強(qiáng)，聚焦能力越大，在焦點(diǎn)處可獲得的焦斑半徑越小。其次，發(fā)現(xiàn)高斯光束在負(fù)梯度負(fù)折射率介質(zhì)中傳輸時(shí)，束寬隨著傳輸距離的增加而加寬，不再呈現(xiàn)出空間孤子和呼吸子傳輸?shù)默F(xiàn)象，這與正梯度負(fù)折射率介質(zhì)中的傳輸特性顯著不同。
　　 3.研究了完全各向異性負(fù)折射率介質(zhì)中波束的傳輸，揭示了介質(zhì)的光軸與波

5、束傳輸軸成任意夾角時(shí)，電磁波和光束在其中的反常傳播特性。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)各向異性負(fù)折射率介質(zhì)的光軸和傳輸軸的夾角、電磁波的入射角、介質(zhì)的介電張量和磁導(dǎo)率張量滿足一定的條件時(shí)，可以產(chǎn)生完美倒退波和不完美倒退波；當(dāng)TE波為倒退波傳輸時(shí)，對應(yīng)的TM波為前進(jìn)波，反之亦然。討論了各種不同色散曲線關(guān)系對倒退波的影響，發(fā)現(xiàn)在近零介電常數(shù)的負(fù)折射率介質(zhì)中的倒退波只能是完美倒退波。當(dāng)介電張量和磁導(dǎo)率張量各分量滿足一定的條件時(shí)，可以產(chǎn)生全向全反射現(xiàn)象。基于各向