空间光场的非线性光学调制方法研究

论文摘要

近年来,无衍射光束因特殊的光场分布和传播特性在诸多科学与技术领域得到了广泛而深入的应用,比如激光加工、激光引导、光学微操控、原子光学、光学显微成像等。易操作、低成本、高质量的无衍射光束产生方法在实际应用中至关重要。针对目前常用方法的不足（光束尺寸不可调,操作复杂等）,本论文采用非线性光学方法进行空间光场调控,具体工作和创新点如下:第一,以铷（Rb）原子蒸汽为样品,研究了基于克尔效应的空间自相位调制（self-phase modulation,SPM）,并且将其应用于光限幅中。研究发现,SPM产生的远场衍射图案虽然会受入射光功率、样品浓度以及样品的位置的影响,但是光限幅性能却只与样品的位置有关,当样品距离激光焦点-10 mm左右时,限幅阈值和钳位输出最小,光限幅性能最好。进一步地,根据样品处于不同位置时远场衍射图样的变化特征,并结合克尔效应和SPM理论,详细地分析了样品位置对光限幅性能的影响机制。这部分工作在基于SPM的光限幅器、全光开关、空心光束产生、冷原子捕获等应用领域具有重要的意义。第二,以Rb原子蒸汽为样品,研究了基于克尔效应的空间交叉相位调制（cross-phase modulation,XPM）,并发展了一种尺寸可调的贝塞尔光束产生方法。实验上,将一束强高斯光束（泵浦光）聚焦于样品中,使另外一束较弱的高斯光束（探测光）与泵浦光反向共线传播,研究泵浦光对探测光的调制作用。结果表明当激光器的波长与Rb原子近共振时,出射探测光的径向光强分布与贝塞尔函数相吻合,说明高斯型的探测光可以被调制成贝塞尔光束输出,且所产生的贝塞尔光束具有良好的无衍射及自愈特性;此外,贝塞尔光束的中心亮斑尺寸可以通过改变入射泵浦的功率以及样品浓度进行调控。该研究发展了一种新的尺寸可调的贝塞尔光束产生方法。第三,研究了醇类溶液中基于热光非线性效应的SPM,测定了其热光非线性折射率系数。首先,研究了不同有机溶液的SPM效应,结果发现在近红外激光的作用下只有使用醇类溶液可以在远场观察到衍射环形图案。这是因为醇类中的羟基（O-H）对近红外激光的吸收引起的热光非线性效应所导致,基于此推导出热致非线性折射率系数的计算公式,以及远场光强分布表达式。进一步,根据衍射环数与热光非线性折射率系数之间的关系计算出了醇类溶液的热光非线性折射率系数(乙醇为n2th=-（2.53?0.03）?10-8cm2 W)。可见,醇类溶液在近红外波段具有较大的热光非线性系数,这使得其可以作为一种良好的用于空间光场调控的非线性介质。第四,以乙醇为非线性介质,利用基于热光非线性效应的XPM对高斯光束进行空间调制,产生高质量的空心光束。研究表明,只要泵浦光在近红外波段（即能够产生足够大的热光非线性折射率）,任意波长的探测光都能被调制成空心光束输出。此外,所产生的空心光束尺寸可以通过改变泵浦光功率以及溶液浓度进行精确有效地调控。进一步地,我们对产生的空心光束进行聚焦,在焦点的附近获得了贝塞尔光束,它在传播的过程中具有优异的无衍射和自愈特性。该研究发展了一种新的空心光束和贝塞尔光束产生方法,在空心光束和贝塞尔光束应用领域具有较大的意义。第五,在上一部分工作的基础上,将所产生的贝塞尔光束用于增强简并四波混频（Degenerate Four-wave mixing,DFWM）过程。实验上,分别采用贝塞尔光束和高斯光束作为DFWM系统中的探测光,对比了两种情况下所产生的DFWM信号强度。结果表明贝塞尔光束对DFWM过程有明显的增强,这是因为贝塞尔光束的非衍射特性增加了光与Rb原子相互作用的距离。进一步地,在DFWM探测光的路径上设置障碍物来模拟散射介质,结果表明由于贝塞尔光束具有自愈特性,可以通过障碍物与Rb原子相互作用而产生DFWM信号,而高斯光束却完全被障碍物阻挡,无法产生DFWM信号。该部分研究表明用XPM方法所产生的贝塞尔光束可以用来增强非线性光学过程。本文的特色和创新之处在于发展了基于非线性光学的空间光场调控的新方法,获得了尺寸可调的贝塞尔光束和空心光束输出,这在贝塞尔光束的应用中具有重大的意义,尤其是对一些对空心光束和贝塞尔光束尺寸有要求的应用,如激光未加工、激光捕获与操控等。此外,将贝塞尔光束用于DFWM信号的增强,为增强厚介质或恶劣环境中的非线性光学过程提供的一种新思路,具有可观的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 空间光场调制
•   1.2 贝塞尔光束
•     1.2.1 贝塞尔光束及其特性
•     1.2.2 贝塞尔光束的应用
•     1.2.3 贝塞尔光束的产生方法
•   1.3 本论文的目的与意义
•   1.4 内容提要
• 第二章 理论基础
•   2.1 克尔效应
•   2.2 热光非线性效应
•   2.3 非线性光学方法的空间相位调制
•     2.3.1 自相位调制
•     2.3.2 交叉相位调制
• 第三章 基于克尔效应的空间光场调制
•   3.1 前言
•   3.2 铷原子中基于自相位调制与光限幅特性研究
•     3.2.1 实验方法
•     3.2.2 理论分析
•     3.2.3 结果与讨论
•   3.3 铷原子中基于交叉相位调制的贝塞尔光束产生
•     3.3.1 实验方法
•     3.3.2 理论分析
•     3.3.3 结果与讨论
•   3.4 本章小结
• 第四章 基于热光非线性效应的空间光场调制
•   4.1 前言
•   4.2 醇溶液中的自相位调制特性研究
•     4.2.1 实验方法
•     4.2.2 理论分析
•     4.2.3 结果与讨论
•   4.3 乙醇溶液中交叉相位调制产生空心光束和贝塞尔光束
•     4.3.1 实验方法
•     4.3.2 理论分析
•     4.3.3 结果与讨论
•   4.4 本章小结
• 第五章 贝塞尔光束用于增强四波混频过程
•   5.1 前言
•   5.2 实验方法
•   5.3 理论分析
•   5.4 结果与讨论
•   5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 主要创新点
•   6.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间取得的科研成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张倩

导师: 白晋涛,程雪梅

关键词: 空间光场调控,非线性光学,贝塞尔光束,光克尔效应,热光非线性效应

来源: 西北大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 西北大学

分类号: O437

总页数: 116

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