Airy光束在自由空间和光折变介质中传输特性的研究

摘要

衍射是光束的一个基本特性，在真空或均匀介质中传输时，由于衍射作用光束会发生展宽，能量会发散。但是光学领域中存在一类独特的光束能够无衍射传输，其中常见的是贝塞尔光束。贝塞尔光束具有无衍射和自愈特性，为研究其它无衍射光束奠定了基础。然而，Airy光束作为一种无衍射光束，具有无衍射和自愈特性的同时，还有其特有的自加速特性。Airy光束在粒子操控，光子弹和等离子弯曲通道等领域具有巨大的应用价值。本文通过数值仿真研究了Airy光束在自由空间和光折变介质中的传输特性，主要内容和成果有:
　　1.研究了Airy光束在自由空间中传输时，横向尺度x0、波长λ0和指数衰减因子a对传输的影响。横向尺度x0越大时，Airy光束主瓣的半高全宽越大，横向自加速越慢;随着波长λ0地不断增加，Airy光束横向自加速加快，光束偏转越明显。指数衰减因子a的影响主要体现为，a越大时，Airy光束的旁瓣能量衰减加快，最后变成类高斯光束，在传输时无法保持自加速特性，并会发生衍射展宽。
　　2.研究了Airy光束在光折变介质中的传输。在自散焦非线性作用下，Airy光束会发生展宽，但仍能保持原有的强度分布和自加速特性;在自聚焦非线性作用下，Airy光束的强度分布和自加速特性被破坏。引入光子晶格后，当Airy光束主瓣在晶格点入射时，在适当的外偏压V0和晶格强度I0条件下，光束能量会被束缚在晶格点上，从而抑制了Airy光束的自加速特性。在晶格点上加入正、负缺陷，正缺陷会使光束的能量束缚更剧烈，负缺陷会使主瓣的能量向邻近晶格点扩散。
　　3.研究了二维Airy光束不同区域被遮挡时的自愈特性。当主瓣和内部区域被遮挡时，经过一定传输距离光束的强度分布会恢复，只有主瓣情况下，光束无法实现自愈。引入高斯噪声，研究了噪声环境下Airy光束的自愈特性，当信噪比适当时，光束同样能实现自愈。说明被部分阻挡的Airy光束经过一定距离的传输能够自愈，且自愈具有一定的鲁棒性。

目录

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摘要

图目录

第1章 绪论

1．1 Airy光束背景介绍

1．2 Airy光束研究现状及趋势

1．3 本文的研究内容

第2章 传输模型构建与数值模拟方法

2．1 引言

2．2 光折变效应的基础理论

2．2．1 光折变效应

2．2．2 带输运模型

2．3 光束傍轴近似方程推导

2．4 数值模拟方法

2．4．1 分步傅里叶法

2．4．2 交替隐式差分波传输法

2．5 本章小结

第3章 Airy光束的基本理论

3．1 引言

3．2 Airy光束的产生与构建

3．3 Airy光束的三大特性

3．3．1 Airy光束的自加速特性

3．3．2 Airy光束的无衍射特性

3．3．3 Airy光束的自愈特性

3．4 本章小结

第4章 Airy光束参数对传输的影响

4．1 引言

4．2 Airy光束横向尺度x0对传输的影响

4．3 Airy光束波长λ0对传输的影响

4．4 Airy光束指数衰减因α对传输的影响

4．5 本章小结

第5章 二维Airy光束在光折变介质中的传输

5．1 引言

5．2 理论模型

5．3 Airy光束在非线性介质的传输

5．4 Airy光束在光子晶格中的传输

5．5 Airy光束在缺陷晶格中的传输

5．6 本章小结

第6章 二维Airy光束的自愈演变

6．1 引言

6．2 不同区域被遮挡时的自愈演变

6．3 本章小结

第7章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果