艾里光束在负极化纳米悬浊液中诱导弯曲波导及阵列研究

This proposal demonstrates the theoretical and experimental methods to generate bending waveguides structure in negative polarized nano- suspension using Airy beams. To guide future experiments and applications, the interaction model of Airy beams and negative polarized nano-suspension will be built first to simulate the generation of waveguides structure and study their optical properties. Then, the methods to produce novel negative polarized nano-suspension with better optical properties base on organic materials such as resins will be studied. As the main content, this research will focus on the experimental generation of bending waveguides and waveguides array base on former numerical results. The mechanisms to solidify bending waveguides structure will also be explored for the purpose of prospective application. The results of this research may find great and important application in many areas such as laser phased array, laser coherent combination, laser communication and all-optical networks. In these areas, the needs of micro-space elements arrangement and coupling of parallel optical paths may find solutions base on this research. The theoretical and experimental methods developed in this research may guide the development of related areas. Thus, this work will increase the research level and productivity of our country, and exhibit its importance in guiding future application.

本申请主要研究艾里光束在负极化纳米悬浊液中诱导产生弯曲波导微结构的理论和实验方法。研究中，基于光场梯度力理论，建立艾里光束与负极化纳米悬浊液相互作用理论模型，仿真波导结构的产生和光学性质，为后期实验和应用研究提供理论和方法指导；基于树脂等有机材料，研制新型负极化纳米悬浊液，解决目前负极化纳米悬浊液透过率低、不易固化等问题；在此基础上，着重研究弯曲波导及阵列的实验产生和固化机理，为弯曲波导微光学器件的发展奠定理论和实验基础。 该申请的研究成果，在激光相控阵、相干合成、光通信、全光网络等领域具有重要的应用前景；有望为微间距并束、并行光路耦合等问题提供解决方案和途径；所采用的理论和实验研究方法也对相关领域的发展具有理论和方法指导意义；可在一定程度上提高我国在相关领域的研究能力和生产力水平。

长期以来，利用激光束加工微光子器件一直是国内外学术界重点关注的研究领域。其中，光学微波导器件的加工具有重要的研究意义和广泛的应用前景，是重要的研究方向之一。目前的研究主要利用激光束在材料表面进行加工，而不利于在体模块内部形成波导微结构。由此，在目前光子器件向微观、精细、集成发展的大趋势下，激光束诱导产生微米光波导结构的方法就成了人们关注的热点之一。本项目主要研究了艾里光束在负极化纳米悬浊液中诱导产生弯曲波导微结构的理论和实验方法。研究中，基于光场梯度力理论，推导出负极化纳米悬浊液中有效折射率分布与光强分布呈e指数关系，当光强逐步增大时，可以形成光束中心折射率高，边缘折射率低的分布，类似于“波导”结构，建立了艾里光束与负极化纳米悬浊液相互作用理论模型。为了验证所提出方法，数值仿真模拟了不同Airy光束在负极化纳米悬浊液中诱导的弯曲波导，仿真了波导结构的产生和光学性质，为后期实验和应用研究提供理论和方法指导；基于树脂等有机材料，研制了新型负极化纳米悬浊液，解决目前负极化纳米悬浊液透过率低、不易固化等问题；在此基础上，讨论了波导性质与诱导光束和负极化纳米悬浊液参数之间的关系。结果表明，通过控制入射艾里波束的传播行为，综合考虑选取合适的诱导光束和负极化纳米悬浊液，能够实现诱导不同尺寸、弯曲度、长度和方向的弯曲波导。着重研究了弯曲波导的实验产生和固化机理，为弯曲波导微光学器件的发展奠定理论和实验基础。这些研究成果先后在Science Bulletin、Applied optics、Optics Express、Optics Communications、光学学报等国内外学术期刊、会议上发表，共计发表论文9篇，SCI论文影响因子之和为11.17（>10）。此外，在项目的资助下，已培养硕士研究生3名。该项目的研究成果，在激光相控阵、相干合成、光通信、全光网络等领域具有重要的应用前景；所采用的理论和实验研究方法也对相关领域的发展具有理论和方法指导意义。