超短脉冲光束的传输特性和光谱异常行为的研究

论文摘要

由于采用了啁啾脉冲放大（CPA）和光参量啁啾脉冲放大（OPCPA）等技术，已获得了超短、超强激光脉冲。超短超强激光脉冲为强场物理的研究提供了技术手段和极端物理条件，也被广泛应用于生物和化学等领域的瞬态动力学过程研究。从超短激光脉冲的产生到应用均涉及超短脉冲在自由空间、色散介质（光栅、棱镜对、光纤和透镜等）、光阑中的传输。因此，超短脉冲光束在自由空间、色散介质、光阑等光学系统中传输的时间空间特性及光谱特性的研究对超短激光脉冲的设计和应用具有重要的实际意义。 详细介绍了超短脉冲相关的基本概念（包括脉冲宽度、载波频率、中心频率和振荡的光周期数），脉冲的复解析信号和脉冲包络表示，常见脉冲数学-物理模型（高斯、罗仑兹、双曲正割、泊松谱、非对称双曲正割、矩形、啁啾高斯和超高斯啁啾脉冲等），研究超短脉冲的傅里叶变换方法、直接求解波动方程、近似计算方法和矢量分析等方法，以及超短脉冲在自由空间、线性色散介质、非线性色散介质中传输的主要研究方法。本论文基于上述提及的基本概念、分析方法和衍射积分理论，以描述超短脉冲光束的数学物理模型（包括超短脉冲高斯光束、超短脉冲贝塞耳—高斯光束、超短脉冲拉盖尔—高斯光束和超短啁啾脉冲光束等）为主要研究对象，研究超短脉冲光束在自由空间、色散介质和通过光阑的传输特性和位相奇点附近的光谱异常行为。现将本论文所得主要结论总结如下： 基于瑞利—索末菲衍射积分、角谱法和复解析信号法，推导出了等束腰宽度超短脉冲高斯光束在自由空间的严格的传输方程和傅里叶谱，适用于几个光周期甚至一个光周期以下的超短脉冲光束和大衍射角情形，而不产生空间奇异

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 超短脉冲发展所经历的阶段
• 1.1.2 超短脉冲发展趋势
• 1.1.3 超短脉冲的应用
• 1.2 本论文研究内容和意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本论文各章内容安排
• 参考文献
• 2 基础理论
• 2.1 超短脉冲相关的基本概念及定义
• 2.1.1 描述脉冲特性的基本物理量
• 2.1.2 实数脉冲光场的复数表示
• 2.1.3 常见脉冲的数学物理模型
• 2.2 研究超短脉冲基本分析方法
• 2.2.1 傅里叶变换方法
• 2.2.2 直接求解时间域微分形式的波动方程
• 2.2.3 近似计算方法
• 2.2.4 矢量分析法
• 2.3 超短脉冲光束的传输
• 2.3.1 自由空间
• 2.3.2 线性色散介质
• 2.3.3 非线性介质
• 2.3.4 光学系统
• 参考文献
• 3 超短脉冲光束在自由空间中传输特性
• 3.1 等束腰宽度超短脉冲高斯光束的传输特性
• 3.1.1 等束宽超短脉冲高斯光束在自由空间的传输方程
• 3.1.2 等束宽超短脉冲高斯光束传输特性分析
• 3.1.3 等束腰宽度超短脉冲高斯光束的远场传输方程的推导
• 3.1.4 等束腰宽度超短脉冲高斯光束的远场特性
• 3.2 等衍射长度超短脉冲贝塞尔-高斯光束的传输特性
• 3.2.1 等衍射长度超短脉冲贝塞尔-高斯光束的传输方程
• 3.2.2 数值计算和结果分析
• 3.3 等束腰宽度超短脉冲贝塞尔-高斯光束的传输特性
• 3.3.1 等束腰宽度超短脉冲贝塞尔-高斯光束的传输方程
• 3.3.2 数值计算和结果分析
• 3.4 等衍射长度超短啁啾脉冲高斯光束的传输特性
• 3.4.1 等衍射长度超短啁啾脉冲高斯光束的传输方程
• 3.4.2 数值计算和结果分析
• 3.5 等束腰宽度超短啁啾脉冲高斯光束的传输特性
• 3.5.1 等束腰宽度超短啁啾脉冲高斯光束的传输方程
• 3.5.2 数值计算和结果分析
• 3.6 本章总结
• 参考文献
• 4 超短脉冲光束在色散介质中传输的时间和光谱特性
• 4.1 色散介质中啁啾高斯脉冲的时间和光谱特性
• 4.1.1 啁啾高斯脉冲在色散介质中的传输方程
• 4.1.2 数值计算和分析
• 4.2 脉冲贝塞尔-高斯光束在色散介质中的时间和光谱特性
• 4.2.1 脉冲贝塞尔-高斯光束在色散介质中的传输方程
• 4.2.2 计算分析
• 4.3 超短脉冲拉盖尔-高斯光束在色散介质中的传输特性
• 4.3.1 超短脉冲拉盖尔-高斯光束在色散介质中的传输方程
• 4.3.2 计算分析
• 4.4 本章总结
• 参考文献
• 5 超短脉冲光束在位相奇点附近的光谱异常行为
• 5.1 啁啾高斯脉冲在位相奇点附近的光谱异常
• 5.1.1 理论模型
• 5.1.2 数值计算结果和分析
• 5.2 受圆孔光阑衍射的脉冲拉盖尔-高斯光束在位相奇点附近的光谱异常
• 5.2.1 理论模型
• 5.2.2 数值计算结果和分析
• 5.2.3 光谱异常在信息编码中的应用
• 5.3 色散介质中双曲余弦高斯脉冲光束通过狭缝的光谱异常行为
• 5.3.1 理论模型
• 5.3.2 数值计算结果和分析
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 6 全文总结
• 作者在攻博期间科研成果简介
• 致谢