负折射率介质中的强激光自聚焦效应研究

Self-focusing is one of the most important problems in propagation theory of intense laser and practical laser engineering works. In the past several years, the invention of negative refraction index material has changed the prospect of the propagation and controlling of intense laser. So far, some brandnew linear and nonlinear propagation properties, which are caused by the unique structures and the special electromagnetic response proterties of negative refraction index materials, have been discovered. This will result in that the laws and physical picture of self-focusing are different from their counterparts in conventional nonlinear Kerr media. In this project, we investigate the basic theory of self-focusing on the basis of the strange characteristics of negative refraction index materials. Considering the negative refraction effect and the dispersion of nonlinear polarization, we will systematically investigate the evolution of the optical field in the area before focus and that near the focus, and we will obtain the basic laws and new properties of intense laser self-focusing under the effect of negative permittivity and permeability. Some new propagation phenomena will be revealed. The physical mechanism will be studied by establishing corresponding theoretical model. Moreover, we will also try to find out the way to manipulate self-focusing through designing the properties of negative refraction index materials. The research work of this project can be used to provide some theoretical support and arguments for developing new intense laser porpagation and controlling methods and new applications that based on negative refraction index materials.

自聚焦问题一直是强激光的传输理论和工程实际中的重大问题之一，且近年来光频段负折射率材料的问世为强激光的传输与控制带来了新的发展前景。迄今已经发现负折射率介质独特的结构和奇特的电磁响应特性引起出现崭新的线性和非线性传输特性，这必然导致自聚焦效应的规律和物理图景也将不同寻常，并可能产生新传输现象。本项目基于负折射率介质的奇异特性开展此介质中的自聚焦效应基础理论研究。针对负折射率导致的负衍射效应、色散负磁导率引起的非线性极化强度色散等与自聚焦直接相关的特性，系统地研究焦点之前和焦点附近光场的演化，发现在负折射率和负色散磁导率特性及其衍生效应影响下强激光自聚焦的基本规律和新特性，揭示新的传输现象。此外，还将建立相应的理论模型研究内在物理机制，寻找利用负折射率介质特性操控自聚焦的方法。本项目的研究能为发展基于负折射率介质的强激光传输和控制方法以及新的应用提供理论支持和依据。

结合负折射率介质的奇异特性和非线性光传输的基本理论，系统地研究了均匀非线性负折射率介质的自聚焦传输问题。确定了描述介质内自聚焦基本过程的基本傍轴传输方程，并以Drude模型为基础建立了考虑非傍轴矢量、矢量效应和介质高阶非线性色散特性的介质内自聚焦传输综合模型来明确各种效应的作用，得到了数值模拟传输研究所需的计算方案和算法模块。分光束的整体自聚焦和小尺度自聚焦分别开展研究，获得了自聚焦传输中的光场特征强度变化、空间谱展宽特性、相位变化反常特性和入射光束超高斯阶数的影响，揭示了脉冲光束初始时间啁啾对自聚焦的反常作用、介质磁导率对自聚焦速度的调控作用及相应规律。对非对称负折射平板系统的光束传输得到了更具一般性的理论。对于非线性负折射率介质下游的高强度条纹生成这种特殊的小尺度自聚焦结果，研究了生成散射物的热像强条纹的传输过程，将相关的理论拓展到光路中的线性介质和非线性介质中的任意一个的折射率可以为正或负的一般情况，在一定的近似条件下得到强条纹与散射物调制特性、光路结构、各介质电磁特性等的基本关系，构建相应的解析理论和传输模型，揭示了磁导率的影响和基于负折射率的传输特性操控途径。数值模拟研究验证了解析结果并得到了相关新的特性。对于常规非线性介质情况下的脉冲传输和介质下游其他各种强条纹的生成进行了深入分析，揭示了若干新的传输现象及相关特性和规律，加深了对受小尺度散射物调制的强激光束通过非线性介质的传输的认识。研制了本项目的数值模拟研究软件。软件发挥程序控制能力、计算机的快速计算能力和图形图像处理能力，结合数值模拟研究各阶段的需求，在光路设计与管理、数值模拟分析、数据可视化及界面内的辅助数据分析、数值模拟结果数据分析等方面提供了多种操作便捷的功能，有助于提高数值模拟研究的效率。本项目的研究拓展了自聚焦理论，能为发展相关强激光传输和控制方法提供理论依据。