自加速Airy相關(guān)光場的構(gòu)建與傳輸特性研究.pdf

1、在不考慮衍射擴(kuò)散及相對論效應(yīng)的情況下，人們普遍認(rèn)為激光束在自由空間中都是沿直線傳播。2007年，美國物理學(xué)家D. N. Christodoulides等提出了自加速激光束的概念，用來描述沿彎曲路徑傳播的光束。他們產(chǎn)生了在實驗室范圍內(nèi)沿彎曲路徑傳播的一類新型激光束，稱為自加速Airy激光束。該光束具有三大奇異的特性：(1)在傳輸過程中保持局域光場結(jié)構(gòu)不變；(2)具有自我修復(fù)的功能；(3)在傳播時能橫向加速，可以繞過障礙物。這些特性使其在光

2、學(xué)清掃、彎曲等離子體通道的產(chǎn)生、時空光子彈、電子加速、微粒操控、全光路由和成像等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。
　　另一方面，由于激光技術(shù)的發(fā)展，激光光束在光學(xué)系統(tǒng)以及湍流大氣中的傳輸和變換特性已經(jīng)成為激光應(yīng)用研究中的重要課題。因此，新型激光光束的出現(xiàn)促使人們迫切地去研究它的傳輸變換特性，從而為其應(yīng)用提供理論支持。
　　本論文主要研究自加速 Airy相關(guān)光場的構(gòu)建及其傳輸特性，論文提出了幾種與Airy光束相關(guān)的光場模型并對其傳輸特性進(jìn)行了

3、探討，討論了Airy光束在湍流大氣傳輸過程中的漂移特點(diǎn)并提出了有效降低其漂移的幾種方案，最后在提出光束經(jīng)障礙物傳輸后自愈合能力量化標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上詳細(xì)比較了自加速 Airy光束與無衍射貝塞爾高斯光束的自愈合能力。
　　在第一章中介紹了自加速 Airy光束的產(chǎn)生、特性、應(yīng)用及其傳輸特性的研究背景，同時介紹了本論文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)。
　　在第二章中介紹了激光傳輸?shù)幕纠碚摵虯iry函數(shù)相關(guān)的數(shù)學(xué)理論。
　　在第三章中，提

4、出了和 Airy光束相關(guān)的幾種光場結(jié)構(gòu)的理論模型，并且研究了這些光束的傳輸特性。首先，為解決Airy-Hermite-Gaussian激光模積分發(fā)散的問題，提出了有限能量的Airy-Hermite-Gaussian激光束模式，可以用來描述激光束通過彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)后的光場，澄清了以前文獻(xiàn)中的觀點(diǎn)；其次，雙 Airy光束因可方便操控其會聚焦點(diǎn)而在等離子熱點(diǎn)的控制等方面?zhèn)涫荜P(guān)注，但以前的研究一直直接從現(xiàn)象入手，沒有合適的理論模型，論文提出了簡潔

5、而有效的數(shù)學(xué)模型，為研究其特性提供了方便；再次，目前由于受限于空間光調(diào)制器，實驗產(chǎn)生 Airy光束均為小功率，論文用高斯光束合成Airy光束并討論了其在湍流大氣中的傳輸特性，為產(chǎn)生大功率的Airy光束提供了新思路，為其在大氣通信中的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)；最后，失調(diào)對激光束在精密光學(xué)系統(tǒng)中的傳輸影響很大，論文討論了自加速 Airy光束通過失調(diào)光學(xué)系統(tǒng)的傳輸特性。
　　在第四章中，研究了自加速Airy光束經(jīng)過湍流大氣傳輸后的光束漂移問題。論

6、文另辟蹊徑，探討光束漂移和表示光束平滑特性的K參數(shù)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)無論Airy光束的特征尺度及波長、傳輸距離、湍流的內(nèi)尺度如何變化，Airy光束的漂移均在K=4.3時達(dá)到最大值。同時，發(fā)現(xiàn)降低Airy光束的相干性和加載渦旋位相可以有效降低Airy光束的漂移。論文還發(fā)現(xiàn)陣列的Airy光束比單個Airy光束以及相同陣列的高斯光束的漂移要明顯減小。這些結(jié)果為實際Airy光束在大氣通信中的應(yīng)用提供了一些理論依據(jù)。
　　在第五章中，量化研究

7、了自加速 Airy光束通過障礙物傳輸后的自愈合能力。無衍射激光束一般都有較強(qiáng)的自愈合能力。但是，以前的研究都是從傳輸后的形狀上大致判斷其自愈合能力，標(biāo)準(zhǔn)不很明確。論文對光束自愈合能力的量化描述提出了探索性的思考，并借助數(shù)學(xué)上描述希爾伯特空間中兩個矢量相似的數(shù)學(xué)工具來定量的比較不同光束的自愈合能力。由于無衍射貝塞爾高斯光束和自加速 Airy光束是非常典型的結(jié)構(gòu)光場，因此，詳細(xì)研究了自加速Airy光束和無衍射貝塞爾-高斯光束的自愈合能力，發(fā)