论文摘要
矢量椭圆空心光束不仅具有一般空心光束的优点,而且具有独特的传输特性、偏振特性和分数的轨道角动量,在原子分子物理、原子分子光学、光学测量、光信息处理、生物光子学、生物医学、纳米科技、材料科学等领域都有广阔的应用前景。随着人们对光束角动量的认识,具有角动量的光束在光学镊子、光学扳手、微机械马达、纳米科技、量子保密通信、光信息存储等领域也有重要应用。而无衍射光束由于其传输不变性,一直是人们追求的热点之一。本文致力于自聚焦矢量椭圆空心光束和无衍射矢量椭圆空心光束的产生及其应用的理论研究。首先,我们基于麦克斯韦方程的矢量模型,采用马提厄函数对椭圆介质空心光纤中传输的部分椭圆空心模式进行了详细研究；我们的研究表明：椭圆空心光纤中可以传输一些椭圆空心模式,并且光纤中传输的单个模式的平均光子角动量为零,而双模传输可以获得随传输距离正弦变化的平均光子角动量。在此基础上,我们利用椭圆空心光纤中传输的单模衍射输出,产生了角动量为零的矢量椭圆空心光束；并利用椭圆空心光纤中的双模衍射输出,产生了具有位置依赖的分数角动量的矢量椭圆空心光束。得到的两种矢量椭圆空心光束都具有自聚焦效应,光束在穿过其自聚焦平面时,椭圆长轴和短轴将发生交换。此外,两种矢量椭圆空心光束都具有位置依赖的任意偏振态。接着,我们提出了一种采用双模传输的椭圆空心光纤和圆锥形透镜构成的光学系统来产生矢量的准马提厄空心光束的新方案。我们成功得到了一束在长达1m的传输距离内近似无衍射的椭圆空心光束,并且证明了这种光束是一种矢量准马提厄空心光束。研究表明：产生的矢量准马提厄空心光束在1.2～2.2m的区域内具有传输不变的光强分布(即无衍射特性)和随传输距离周期性旋转的径向依赖的偏振态,并且在此区域内光束中心的椭圆环具有传输不变的分数轨道角动量。此外,我们通过数值拟合,给出了描述矢量准马提厄空心光束在自由空间的光强分布和轨道角动量分布的简单表达式。最后,本文还对产生的矢量椭圆空心光束在原子分子光学中的应用进行了理论研究。我们首先讨论了产生的自聚焦矢量椭圆空心光束在原子透镜中的应用,计算了激光失谐量和原子束的初始速率对原子透镜像差的影响。当失谐量为70GHz,原子束的初始速率为28ms时,总的像差达到最小,为26.2nm,远低于光波的衍射极限。并且我们产生的矢量椭圆空心光束在自聚焦过程中始终保持中心光强为零,十分适合于用作高分辨的原子透镜。此外,蓝失谐的矢量准马提厄空心光束在导引冷原子或冷分子的同时,可以实现对冷原子或者冷分子的旋转操控。85Rb原子在矢量准马提厄空心光束中运动的平均旋转角频率与原子在光场中所处的初始位置和入射激光的功率大小有关。初始位置距离光束中心较近的原子其平均旋转角频率较大,入射光功率较大时,原子的平均旋转频率也较大。我们清楚地看到了光束的轨道角动量对原子运动轨迹的明显扭转。重氨分子在矢量准马提厄空心光束中的质心运动也与在光束中所处的初始位置有关,当处于特定初始位置时,分子会沿椭圆形轨道作螺旋进动。此外,在矢量准马提厄空心光束中重氨分子的平均旋转角频率很高,可达9.33kHz。
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论文摘要ABSTRACT第一章 综述:椭圆空心光束、矢量光束和光束角动量1.1 引言1.2 椭圆空心光束及其产生方法1.2.1 像散椭圆空心光束1.2.2 本征模式的椭圆空心光束1.3 矢量光束1.3.1 偏振态圆对称分布的矢量光束1.3.2 偏振态椭圆对称分布的矢量光束1.3.3 任意偏振态的矢量光束1.4 光束的角动量1.4.1 光束的轨道角动量和自旋角动量1.4.2 角动量的应用1.5 本文的研究工作第二章 椭圆介质空心光纤中传输的电磁场模式2.1 引言2.2 椭圆边界下麦克斯韦方程的解2.3 椭圆介质空心光纤中的电磁场分布2.4 椭圆介质空心光纤中的光强分布2.5 椭圆介质空心光纤中模式的偏振和角动量2.5.1 椭圆介质空心光纤中模式的偏振2.5.2 椭圆介质空心光纤中模式的角动量2.6 椭圆介质空心光纤中的双模传输2.7 椭圆介质空心光纤中消逝波的应用2.8 本章小结eHE11模输出的矢量椭圆空心光束'>第三章 椭圆空心光纤中eHE11模输出的矢量椭圆空心光束3.1 引言eHE11模输出的矢量椭圆空心光束'>3.2eHE11模输出的矢量椭圆空心光束eHE11模输出的矢量椭圆空心光束的传输特性'>3.3eHE11模输出的矢量椭圆空心光束的传输特性eHE11模输出的矢量椭圆空心光束的偏振特性'>3.4eHE11模输出的矢量椭圆空心光束的偏振特性3.5 不同尺寸参数椭圆空心光束的三维强度拟合3.6 本章小结第四章 椭圆空心光纤中双模输出的矢量椭圆空心光束4.1 引言4.2 双模输出的矢量椭圆空心光束eHE11模和oHE11模组成的双模'>4.2.1 椭圆空心光纤中eHE11模和oHE11模组成的双模4.2.2 椭圆空心光纤末端双模的衍射4.3 双模输出的矢量椭圆空心光束的光强传输4.4 双模输出的矢量椭圆空心光束的偏振特性4.5 双模输出的矢量椭圆空心光束的角动量4.5.1 双模输出的矢量椭圆空心光束的总角动量4.5.2 双模输出的矢量椭圆空心光束总角动量的拟合4.5.3 双模输出的矢量椭圆空心光束的自旋角动量和轨道角动量4.6 几组不同双模输出的矢量椭圆空心光束4.7 本章小结第五章 矢量准马提厄空心光束的产生及其传输特性研究5.1 引言5.2 矢量准马提厄空心光束的产生方案5.3 矢量准马提厄空心光束的光强分布及三维拟合5.3.1 矢量准马提厄空心光束的光强分布5.3.2 矢量准马提厄空心光束的传输不变距离5.3.3 矢量准马提厄空心光束的三维光强拟合5.4 矢量准马提厄空心光束的偏振特性5.5 矢量准马提厄空心光束的角动量传输5.6 本章小结第六章 矢量椭圆空心光束在原子光学中的应用研究6.1 引言6.2 自聚焦的矢量椭圆空心光束在原子透镜中的应用6.3 矢量准马提厄空心光束对原子的作用力6.3.1 矢量准马提厄空心光束对原子的白发辐射力6.3.2 矢量准马提厄空心光束对原子的偶极力6.4 原子在矢量准马提厄空心光束中的运动6.4.1 原子在矢量准马提厄空心光束中运动的数值模拟6.4.2 原子在矢量准马提厄空心光束中的运动分析6.5 本章小结第七章 矢量准马提厄空心光束与分子相互作用的理论研究7.1 引言7.2 矢量准马提厄空心光束与分子的偶极相互作用7.2.1 矢量准马提厄空心光束对分子的光学偶极势7.2.2 矢量准马提厄空心光束对分子的偶极力7.2.3 矢量准马提厄空心光束对分子的扭矩7.3 分子在矢量准马提厄空心光束中的质心运动7.4 分子在矢量准马提厄空心光束中的旋转运动7.5 本章小结第八章 总结与展望8.1 本文研究工作的总结8.2 本文的主要创新之处8.3 未来研究工作的展望参考文献附录:博士研究生阶段发表与待发表的论文目录致谢
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