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几类结构光束传输特性的研究

摘要

结构光束的构建及在不同介质中的传输是当前光学与光电子学研究领域的

一个热点，如何构建新型特殊光束，发现光束在介质中传输时新的物理效应，总

结其在介质中的传输规律，寻求其在光开关、全光网络、光学通信等领域的应用，

具有一定的研究价值。鉴于此，本论文主要开展了以下工作：

基于Snyder-Mitchell模型，给出了扭曲高斯谢尔模(twistedGaussian

Schell-model,TGSM)光束在强非局域非线性介质(stronglynonlocalnonlinear

media,SNNM)中传输时光场、临界光功率的表达式,并对其进行了数值计算。结

果表明：TGSM光束在传输过程中光谱密度、光束束宽、相干长度、扭曲因子和

曲率呈现出周期性震荡；扭曲因子和相干长度对于TGSM光束的传输特性以及

光束质量有着重要影响；初始光功率与临界光功率不相等时，TGSM光束表现为

周期性震荡的呼吸子，可以通过调节扭曲因子、相干长度、初始光功率来控制

TGSM光束展宽的范围；初始光功率与临界光功率相等时，TGSM光束在传输过

程中始终表现为束宽保持不变的光孤子。所得结果为TGSM光束在光开关中的

应用提供了理论依据。

利用分离变量法，给出了超几何拉盖尔高斯(HypergeometricLaguerre-Gauss,

HLG)光束在SNNM中传输时的电场表达式，数值计算并分析了各光束参数对光

束传输特性的影响。结果表明：通过改变光束指数、径向量子数，可实现对HLG

光束光强分布的多维度调控；在不同的初始光功率与临界光功率比值下，HLG

光束在传输过程中呈现出光呼吸子或光孤子形态；输入光束为球面波时，孤子的

稳定性受到初始相前曲率的破坏，导致光束在传输过程中发生周期性振荡行为。

所得结果为HLG光束在全光网络中的应用提供了理论依据。

采用构建部分相干光束模型的积分叠加方法，构建了扭曲平顶余弦高斯谢尔

模(twistedflat-toppedcosineGaussianSchell-mode,TFCGSM)光束模型，通过调节

光束参数，可改变TFCGSM光束的光强分布。此外，基于拓展的惠更斯-菲涅尔

(Huygens-Fresnel)原理，给出了TFCGSM光束在自由空间中的交叉谱密度函数的

表达式，并进行了相应的数值计算。结果表明：TFCGSM光束在传输过程中光

强发生绕轴旋转和扭曲现象，光束旋转的方向与旋转的抑制作用分别由扭曲因子

的正负和初始波前曲率半径的大小决定；光强分布在传输中发生自分裂或退化为

高斯分布的现象。所得结果拓宽了TFCGSM光束在光学通信等领域的应用。

关键词：强非局域非线性介质；Snyder-Mitchell模型；拓展的Huygens-Fresnel

原理；光束传输；结构光束

I

Studyonthepropagationcharacteristicsof

severaltypesofstructurebeams

Abstract

Theconstructionofstructuredbeamsanditspropagationcharacteristicsin

differentmediaaretheresearchhotspotsinthefieldofopticsandoptoelectronics.It

isofgreatpracticalsignificancetoconstructanewtypeofspecialbeam,revealingthe

newphysicaleffectsofthebeamwhenitistransmittedinthemedium,summarizing

itspropagationl