矢量光束非线性传输特性研究

Generation, manipulation and propagating characteristic of vector beams have been the hot research topics in optics, because of the interesting application of these beams in super-resolution microscopy, optical tweezers, excitation of surface-plasmon polaritons, and quantum information. For femtosecond or tighter focusing vector beams propagating in the nonlinear medium, we need consider the influence of nonlinear effect on these beams. We will solve two fundamental problems of nonlinear propagation of vector beam. First, to find a solution to the catastrophic result when axially symmetric polarized beams propagate in a nonlinear homogeneous medium, we will study the dynamics of these beams and general vector beams in optical lattices, and try to find the parameter regions of optical lattices which support these beams to propagate stabely. Second, we will study the non-paraxial propagating characteristic of axially symmetric polarized beams in the nonlinear medium. Especially, we will study the self-focusing characteristic of these beams.

随着在超分辨显微术、光镊技术、表面等离子体波激发以及量子信息等领域的应用，矢量光束的产生、调控及传输特性研究已成为目前光学领域的热点课题。特别对于飞秒矢量光束以及强聚焦矢量光束，我们需考虑它们在介质中传输时引起的非线性效应对光束本身的影响。本项目拟解决矢量光束非线性传输过程中的两个基本问题。第一，针对目前发现的轴对称偏振光束在均匀非线性介质中不能稳定传输的问题，深入研究轴对称偏振光束以及更一般性的矢量光束在光学晶格的传输动力学过程，找到使其稳定传输的参数区域，为实现这种光束的调制与操控奠定理论基础；第二，研究轴对称偏振光束在非线性介质中非傍轴传输的特性，特别详细研究这些光束严格的自聚焦特性，得出其自聚焦的动力学过程。

矢量光束因在光通信、光学操控、高分辨显微术、激光加工及量子信息等领域得到应用，引起了人们极大的兴趣和广泛关注。本项目从研究矢量光束的非线性传输特性出发，针对已发现柱矢量光束在均匀介质中受到角向调制而不稳定的传输特性，研究其在光学晶格传输的动力学过程，找到使其稳定传输的机制。研究发现介质的非局域非线性效应对矢量光束的传输行为具有重要影响。非局域效应达到一定强度时，矢量光束可以得到稳定传输，特别是高阶矢量孤子光束也可以得到稳定传输。非局域强度没有达到使得初始孤子光束稳定传输的强度，非局域效应也可以使得分裂后的孤子光束转换成椭圆形光束稳定传输或者变为两个近似圆形光斑稳定传输，这由传输介质的非局域效应与光学晶格共同决定。另外，推导了非线性亥姆霍兹方程的三个守恒量，其分别与傍轴近似下非线性薛定谔方程的三个守恒量（功率，哈密顿量，动量）对应。 形式上，当忽略非线性亥姆霍兹方程中的非傍轴项时，其守恒量可自洽的简化到傍轴模型下的守恒量。通过研究这些守恒量随着空间光孤子参数改变而变化特性，详细阐述了非傍轴非线性亥姆霍兹模型与傍轴非线性薛定谔模型的差异。最后，在宇称时间反演对称体系中获得稳定的各种结构光束的非线性传输模式，包括OAM模式，矢量光束模式以及圆偏振模式等。本项目在国家自然科学基金委的资助下，共发表相关学术论文5篇，参加国内外学术会议六次，前往其他课题组学术交流四次。五篇学术论文中一篇发表在光学类权威杂志Optics Express，SCI收录，三篇EI收录。