非线性无衍射光束的设计与特性研究

Non-diffraction beams have been extensively employed in a variety of applications, such as communication, quantum optics, biology, material processing, etc. However, Nonlinearities are usually detrimental to the properties of these beams in an increasing number of applications. It has been recognized that their design and generation should be performed by also taking the nonlinearity into account, but the nonlinear non-diffraction beams realized in this way is still less reported, which leads to many unsolved problems on studying the propagation properties and mechanism of these beams. In this proposal, we aim to solve the urgent issues in this field with the help of our previous work. The method on the design and the generation of nonlinear non-diffraction beams will be systematically developed, particularly for the two dimensional case. Moreover, their stability and self-healing properties will be uncovered through analyzing the nonlinear propagation of these beams, in order to solve the problem of that their counterparts obtained in linear systems cannot keep the properties in the nonlinear environment. Furthermore, the nonlinear interaction of these beams with other ones will be investigated, aiming to understand their particle-like behavior. We expect that our study will allow the nonlinear non-diffraction beams to better serve the research in other areas of nonlinear optics and allow the relevant applications in a more precise and more controllable fashion, and that the method employed in this proposal will be useful for studying other wave dynamics.

无衍射光束被广泛地应用于信息通讯、量子光学、生命科学、材料加工等众多领域，然而在越来越多相关的应用中，光学非线性对它们的传播特性造成不利的影响。人们已意识到它们的设计与构造需同时考虑非线性因素，然而目前这样实现的非线性无衍射光束还有限，导致其传播特性与机理的研究还面临诸多不足。本项目将针对该领域亟待解决的问题，在我们前期的工作基础上，以期从理论和实验上系统地建立起关于非线性无衍射光（特别是二维情况）的设计与构造方法，并通过分析它们的非线性传播过程，弄清这些光束的稳定性和自愈功能等，解决线性系统求解的若干无衍射光在非线性环境中传输性质不能保持的问题，进一步地，我们还将研究它们与其它光束的相互作用过程，以期弄清它们的类粒子行为。希望本项目的开展能让非线性无衍射光束更好地服务于非线性光学的其它研究方面，从而让相关应用变得更加精确与可控，也希望对其它波动领域中的研究起到一定的借鉴作用。

无衍射光束被广泛地应用于信息通讯、量子光学、生命科学、材料加工等众多领域，然而在越来越多相关的应用中，光学非线性对它们的传播特性造成不利的影响。人们已意识到它们的设计与构造需同时考虑非线性因素，然而目前这样实现的非线性无衍射光束还有限，导致其传播特性与机理的研究还面临诸多不足。本项目将针对该领域亟待解决的问题，主要从均匀介质（含自由空间）和光子学微结构两个常见的系统来开展无衍射光束的研究。在前期工作的基础上，我们将无衍射光的研究延伸到了高维度、小尺度以及光子学微结构中，从理论和实验上系统地建立起线性与非线性无衍射光的设计与构造方法，并通过分析它们的非线性传播过程，厘清这些光束的稳定性和自愈功能等，我们还研究了它们与其它光束的相互作用过程，以揭示它们的类粒子行为。该项目在无衍射光领域取得了若干重要结果：在更高维度实现了无衍射光束的设计与优化，提出了一种增强无衍射无色散光子弹的能量的方法；实验上解决了球差对非傍轴无衍射弯曲光束的生成影响，在此基础上进一步实现了微尺度的瓶子光束；初步论证了无衍射弯曲光束相较于传统的高斯光束在自由空间耦合回音廊模式微腔时耦合效率可以提高，并发现这个优势在使用大数值孔径光学系统或者激发微腔更高阶角向模式的情况下更加明显；提出了利用非线性无色散加速脉冲来调控光纤中光学切伦科夫辐射的方法，发现辐射的时空位置可通过该加速脉冲的加速度和入射功率来调节。另一方面，利用平带原理实现了光子学晶格中的无衍射光以及图像的无衍射传输，并通过负“质量”驱动的机制，在光子晶格中利用“质量”反号的两束光的非线性相互作用实现了无衍射弯曲光束。本项目的开展能让非线性无衍射光束更好地服务于非线性光学的其它研究方面，从而让相关应用变得更加精确与可控，而光束间相互作用的研究能为光控光提供新的思路和途径。此外，我们的结果对其它波动领域中的研究也能起到一定的借鉴作用。