光场物理维度特性与应用研究

发布时间：2020-05-31 06:56

【摘要】：光学学科经历了几何光学,波动光学,量子光学到现代光学几个时期。随着人们对光的认识越来越深入,光学发展带来的科技进步正迅速变革人类的生产生活。特别是上世纪下半叶激光的问世以来,光学与光电子学科得到了蓬勃发展,逐步应用于众多技术领域,如光通信、光学度量、光学成像以及激光加工等。基础研究决定了应用研究,光学技术的迅猛发展离不开科研工作者对光基本物理属性与规律的研究与掌握。光的基本物理属性包括光的能量、动量以及角动量等物理量,而就光本身的电磁场自由度而言,包含振幅、偏振、频率(波长)以及相位四大自由度。对于具有一定空间维度的光场,其振幅、偏振与相位又可以随横向空间不同位置而变化。这类光场称为结构光场,例如,偏振取向随空间位置周期变化的矢量偏振光场,相位随空间位置周期变化的涡旋光场,以及更一般的被电介质界面束缚的倏逝场。结构光场会表现出很多不同于传统的平面相位光场的特殊性质,其基本物理量在空间上也呈现多维度特点,特别是其动量与角动量,具有横向与纵向指向性。另外,人们要利用光,必须能任意操控光,掌握光与物质相互作用的基本物理规律。由于光的自由度与基本物理量具有丰富的空间维度,当其与物质互相作用时会表现出很多新的光学效应,例如涡旋光场的旋转多普勒效应,倏逝场的自旋霍尔效应等。具体到本文,第二章首先梳理了与电磁场相关的能量、动量、角动量以及偶极子光力等表达式。然后探索研究矢量场的叠加态产生光学自旋与轨道角动量的物理机制,得到任意平均角量子数,并揭示一种普遍的自旋-轨道耦合效应。最后研究纳米光纤本征矢量模式的横向自旋表现形式,得到了取最大表面横向自旋的极值条件。传统的基于微纳波导自旋-轨道耦合效应开发的光子手性耦合行为,由于存在大量的能力损耗,导致其耦合效率低下。为解决这个问题,本文第三章基于倒拉锥硅基波导的模式转换与干涉原理,设计并制作了一种超高定向性与耦合效率的硅光手性耦合器。其定向性接近?1,耦合效应能达到70%以上。涡旋光束能产生旋转多普勒效应,本文第四章从相位变化、能量转换及动量守恒等不同角度研究了涡旋光束的旋转多普勒效应,揭示了其与传统线性多普勒效应之间的内在联系。在此基础上开发出一种结构光干涉测量法,用于物体多维运动信息的同步测量。光纤中的本征矢量模作为结构光场具有很多特殊性质,本文第五章系统研究了光纤结构光场的导波性质以及耦合特性。首先利用琼斯矩阵展开揭示光纤本征矢量模式与圆偏涡旋模式之间的关系,然后基于耦合模理论发现光纤矢量模耦合内秉的偏振依赖与隔离特性。在此基础上,最后揭示了螺旋光纤光栅对光纤模式轨道角动量的转换原理,并设计了一种基于矢量模辅助耦合的全光纤偏振分束与旋转器。
【图文】：

双光子激光,桥梁隧道,强聚焦,分布式光纤传感器

华中科技大学博士学位论文生的高能激光束作用于被加工物体上，导致光热效应，能对目标物体进行、焊接等处理。高能激光束甚至能诱导可控核聚变，制造人造太阳，解决需求问题[8]。近年来，在互联网基础上催生出的“互联网+”新业务以及新一代人工智，都需依托信息技术的进步。因此，日益增长的数据量对光通信容量的增切要求。光通信技术中的正交振幅调制、时分复用、波分复用以及偏振复光的基本物理维度用完，业界急需开发光的新自由度复用技术来突破容。另外，，受传统集成电路的启发，近些年发展起来的集成光学对光在更小、调控、信息处理等提出了极高要求。微纳光子学作为光学学科新的分支旨在研究在微纳尺度下超束缚光场的基本特性，以及光与物质相互作用的,12]。

操控,基本自由,力学作用,诺贝尔物理学奖

华中科技大学博士学位论文构建智慧城市，建设万物互联的新社会形态，关键技术之一是铺设传感器网络对物体属性信息的识别与读取。光学测量、传感以及成像技术将在其中发挥不可取代的作用。对光学测量而言，其技术核心离不开光的干涉原理以及多普勒效应等基本物理规律，表现为光作用在运动物体时会导致光的相位或频率的改变。对光学传感来说，光纤传感技术凭借光纤轻便、频带宽、抗电磁干扰、成本低廉等优势已逐步取代传统的电学传感技术，在航天航空、工矿企业、建筑以及家用电器等领域得到广泛应用[13,14]。其原理是基于外界物理参量的变化引起光纤中被调制光的振幅、相位、波长等自由度的变化。提取并监测光的这些自由度参量变化就能实时获知被监测目标的各类信息，如位置、位移、速度、温度、压力以及形变等。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O43

【参考文献】