超常媒质中结构光场的传输及其动力学特性研究

论文摘要

近年来,具有特殊振幅、相位和偏振态分布的结构光场由于其丰富的物理性质和效应以及极具潜力的应用前景正受到人们的极大关注。结构光场与物质相互作用过程中,既有光子能量的传递,也伴随着光子动量和角动量的转移,同时还呈现出马格努斯效应、自旋霍尔效应、手征效应和横向自旋等一系列新颖的物理效应和现象。能量、动量和角动量作为结构光场几个重要的动力学参量,有助于揭示结构光场和物质新的物理效应和特性。另一方面,超常材料在实验上的实现引起了人们广泛的重视,开辟了一个全新的光学研究领域,大量的光学现象需要重新审视,全新的操控光场的技术和方法等待被发现。本文将结构光场与超常材料相结合,研究拉盖尔高斯光束、贝塞尔高斯光束和艾里光束等典型结构光场在左手媒质、手性媒质和梯度折射率媒质等超常材料中的传输及其动力学特性,完成的主要工作如下:1.给出了拉盖尔高斯光束、贝塞尔高斯光束和艾里光束的数学表达式,数值模拟了三种典型结构光场在自由空间中的强度和相位分布;通过引入矢量势,根据洛伦兹规范,推导得到了不同极化状态下典型结构光场的电磁场分量表达式;研究了光场动量表征的亚伯拉罕(Abraham)和闵可夫斯基(Minkowski)争论,以及光场机械动量和正则动量的描述之争;采用基于正则方法建立的结构光场动力学参量的表征理论分析了自由空间中典型结构光场的动力学特性。2.研究了结构光场传输的矩阵光学理论,给出了表征左手媒质、手性媒质和梯度折射率媒质的ABCD矩阵,基于柯林斯公式和ABCD矩阵推导出了拉盖尔高斯光束、贝塞尔高斯光束和艾里光束等典型结构光场在左手媒质、手性媒质和梯度折射率媒质中传输的复振幅解析表达式,分析了三种典型结构光场在左手媒质、手性媒质和梯度折射率媒质中的传输特性。3.基于结构光场在超常媒质中传输的复振幅解析表达式,通过引入矢量势,根据洛伦兹规范,推导得到了不同极化状态下拉盖尔高斯光束、贝塞尔高斯光束和艾里光束等典型结构光场的电磁场分量表达式;在量子力学和相对论场论范畴内,基于正则方法建立了物理意义清晰、数学形式简洁、通用性强的光场能量、动量、自旋角动量和轨道角动量等动力学参量的表征理论;以左手媒质为例,研究了超常媒质中结构光场的动力学特性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号对照表
• 缩略语对照表
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 国内外研究概况
•     1.2.1 结构光场的产生、调控及其应用国内外研究概况
•     1.2.2 结构光场在超常媒质中的传输国内外研究概况
•     1.2.3 结构光场动力学参量的表征理论国内外研究概况
•   1.3 本论文的内容安排
• 第二章 典型结构光场的表征与动力学特性分析
•   2.1 引言
•   2.2 典型结构光场的强度和相位分布
•     2.2.1 拉盖尔高斯光束的强度和相位分布
•     2.2.2 贝塞尔高斯光束在自由空间中的强度和相位分布
•     2.2.3 艾里光束在自由空间中的强度和相位分布
•   2.3 典型结构光场的电磁场分量
•     2.3.1 拉盖尔高斯光束的电磁场分量
•     2.3.2 贝塞尔高斯光束的电磁场分量
•     2.3.3 艾里光束的电磁场分量
•   2.4 结构光场的动力学参量表征理论
•     2.4.1 结构光场的动量表征理论分析
•     2.4.2 结构光场动力学特性参量的解析表达式
•   2.5 典型结构光场在自由空间中的动力学特性分析
•     2.5.1 拉盖尔高斯光束在自由空间中的动力学特性分析
•     2.5.2 贝塞尔高斯光束在自由空间中的动力学特性分析
•     2.5.3 艾里光束在自由空间中的动力学特性分析
•   2.6 本章小结
• 第三章 超常媒质中典型结构光场的传输特性分析
•   3.1 引言
•   3.2 矩阵光学基本理论
•   3.3 典型结构光场在ABCD光学系统中的复振幅解析表达式
•     3.3.1 拉盖尔高斯光束在ABCD光学系统中的复振幅表达式
•     3.3.2 贝塞尔高斯光束在ABCD光学系统中的复振幅表达式
•     3.3.3 艾里光束在ABCD光学系统中的复振幅表达式
•   3.4 典型结构光场在左手媒质中的传输特性分析
•     3.4.1 左手媒质的ABCD矩阵表征
•     3.4.2 拉盖尔高斯光束在左手媒质中的传输特性分析
•     3.4.3 贝塞尔高斯光束在左手媒质中的传输特性分析
•     3.4.4 艾里光束在左手媒质中的传输特性分析
•   3.5 典型结构光场在手性媒质中的传输特性分析
•     3.5.1 手性媒质的ABCD矩阵表征
•     3.5.2 拉盖尔高斯光束在手性媒质中的传输特性分析
•     3.5.3 贝塞尔高斯光束在手性媒质中的传输特性分析
•     3.5.4 艾里光束在手性媒质中的传输特性分析
•   3.6 典型结构光场在梯度折射率媒质中的传输特性分析
•     3.6.1 梯度折射率介质的ABCD矩阵表征
•     3.6.2 拉盖尔高斯光束在梯度折射率媒质中的传输特性分析
•     3.6.3 贝塞尔高斯光束在梯度折射率媒质中的传输特性分析
•     3.6.4 艾里光束在梯度折射率媒质中的传输特性分析
•   3.7 本章小结
• 第四章 超常媒质中典型结构光场的动力学特性分析
•   4.1 引言
•   4.2 典型结构光场在ABCD光学系统中的电磁场分量
•     4.2.1 拉盖尔高斯光束在ABCD光学系统中的电磁场分量
•     4.2.2 贝塞尔高斯光束在ABCD光学系统中的电磁场分量
•     4.2.3 艾里光束在ABCD光学系统中的电磁场分量
•   4.3 结构光场在复杂媒质中的动力学特性参量表征
•   4.4 典型结构光场在左手媒质中的动力学特性分析
•     4.4.1 拉盖尔高斯光束在左手媒质中的动力学特性分析
•     4.4.2 贝塞尔高斯光束在左手媒质中的动力学特性分析
•     4.4.3 艾里光束在左手媒质中的动力学特性分析
•   4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 惠元飞

导师: 崔志伟

关键词: 结构光场,超常媒质,传输特性,动量,自旋角动量,轨道角动量

来源: 西安电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 西安电子科技大学

分类号: O43

DOI: 10.27389/d.cnki.gxadu.2019.001405

总页数: 109

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