負折射介質(zhì)中激光光束的傍軸傳輸研究.pdf

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

2、性，導出了與負折射率介質(zhì)平板相關的ABCD矩陣元表達式，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)負折射率平板系統(tǒng)時的傳輸特性，得到了負折射率介質(zhì)平板內(nèi)外的場強分布，以及高斯光束聚焦和相位補償?shù)臈l件。只要高斯光束在第一塊負折射率介質(zhì)內(nèi)能夠聚焦，則它在最后一個正區(qū)域也能聚焦；無論高斯光束住中間層級的正、負折射區(qū)域內(nèi)聚焦或不聚焦，對最后一個正區(qū)域內(nèi)的聚焦都沒有影響；如果光束經(jīng)級聯(lián)負折射率介質(zhì)平板后要獲得復原或重現(xiàn)，則必須確保它在第

3、一塊負折射率介質(zhì)平板內(nèi)滿足聚焦的條件。負折射率介質(zhì)平板系統(tǒng)中高斯光束傳輸?shù)腁BCD矩陣方法，避免了在處理復雜光學系統(tǒng)衍射問題時涉及到的復雜積分運算，國際同行評價本項研究是目前國際上極少數(shù)研究激光光束在負折射率介質(zhì)中傳輸?shù)墓ぷ髦弧?br>　　 2.作為負折射率介質(zhì)平板系統(tǒng)中激光光束傳輸?shù)腁BCD矩陣方法的應用，研究了高斯光束在梯度負折射率介質(zhì)中的傳輸和變換特性。首先，導出了高斯光束在正梯度負折射率介質(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，則類透鏡效應越強，聚焦能力越大，在焦點處可獲得的焦斑半徑越小。其次，發(fā)現(xiàn)高斯光束在負梯度負折射率介質(zhì)中傳輸時，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，電磁波和光束在其中的反常傳播特性。研究發(fā)現(xiàn)，當各向異性負折射率介質(zhì)的光軸和傳輸軸的夾角、電磁波的入射角、介質(zhì)的介電張量和磁導率張量滿足一定的條件時，可以產(chǎn)生完美倒退波和不完美倒退波；當TE波為倒退波傳輸時，對應的TM波為前進波，反之亦然。討論了各種不同色散曲線關系對倒退波的影響，發(fā)現(xiàn)在近零介電常數(shù)的負折射率介質(zhì)中的倒退波只能是完美倒退波。當介電張量和磁導率張量各分量滿足一定的條件時，可以產(chǎn)生全向全反射現(xiàn)象。基于各向