奇异线性时空光弹的形成机理及产生

Laser is widely used in many fields of science research as a probe and source of energy. In real applications of laser-matter interactions, the beam focus of laser systems does all the actual work. Some scientific research works require spatio-temporally invariant propagational focus, but it is very difficult to realize because diffraction and dispersion are key transmission phenomena of localized optical wave packets. Lately, to obtain spatio-temporally invariant propagational focus, spatio-temporally invariant focus wave modes is generated in specifical manner. In the work, we try to ponder theoretically over, and experimentally generate several exotic spatio-temporally linear light bullets. The following work will be done. Firstly, it is experimentally generated the new spatial diffraction-free oblique Airy beam that sector angle can be arbitrarily control acorrding to practical demand, regular polygon beam that having several light bullets can be regarded to seversl focus to use in scientific research, vortex-Airy beam etc. Secondly, it is experimentally generated the temporal dispersion-free pulse by based on techniques of dispersion management. As a result, the generated exotic spatio-temporally linear light bullets, which the main lobes tend to accelerate during propagation along parabolic trajectories, can be regarded as a new unique light source to be used in some research fields as a probe or source of energy. For example, it can be exploited to trap, sort, mix and measure particles precisely follow parabolic trajectories. Hence we think the research work is important.

激光作为好的能源和探针，被广泛用于科学研究的很多领域。在很多实际应用中，真正起作用的是激光束的焦点。在一些科学研究领域，特别需要时、空都稳定的焦点作为工具。但就光的本性而言，衍射和色散是光波的基本传输现象，很难做到聚焦光束在自由空间的时、空不扩展传输。近来，采用特殊方式构造的时、空均为不扩散传输模式的线性时空光弹，是解决这一问题的主要途径。本项目旨在实验上探究并形成几种具有奇异特性的线性时空光弹。具体为，（1）空域，通过采用特定的数学理论设计光束相位分布，实现具有无衍射特征的新型倾斜艾里光束（扇角可控）、多角艾里光束（有多个可作为焦点使用的弹头）以及涡旋-艾里光束等。（2）时域，通过色散管理技术，产生具有无色散传输模式的脉冲。结果，形成一类具有抛物弹道轨迹的时空稳定光弹这样一种奇异光源，有望作为独有的能源或是探针，用于科学研究。比如，可用在直射聚焦光束无法操控的区域进行微观操作等。

激光作为好的能源和探针，在很多实际应用中，真正起作用的是激光束的焦点。在一些科学研究领域，特别需要时、空都稳定的焦点作为工具。但就光的本性而言，衍射和色散是光波的基本传输现象，很难做到聚焦光束在自由空间的时、空不扩展传输。近来，采用特殊方式构造的时、空均为不扩散传输模式的线性时空光弹，是解决这一问题的主要途径。本项目旨在实验产生几种具有奇异特性的线性时空光弹。这里，光弹的奇异性, 指可在自由空间沿弯曲(不是直线)轨迹传输的时空稳定光束。具体研究内容为，（1）空域，将规范突变论引入光束传输理论，构造了具有多个突变主陲点加速光束。利用唯相理论，在Fresnel衍射区，理论构建并实验产生了一种新的多艾里加速光束——加速四艾里光束。为了探究加速四艾里光束的光学本性，这种光束在传播过程中的坡印亭矢量和角动量被研究。此外，具有脸对脸特性的加速焦散光束也被理论构建和实验产生。进一步分析这种光束的力学特性，我们发现，不同于经典艾里光束只能用作激光“吹雪机”，像扫帚一样清扫粒子，加速焦散光束能够当作激光泵把某一区域的粒子全部清空。这是一种全新的无衍射光束。（2）通过推导抛物线和椭圆线的菲涅耳衍射，得到了形如Pearcey函数的数学表达式。利用振幅调制的方法，实际产生了一簇光学拓扑结构不同的Pearcey光束。进一步，研究也发现椭圆光环经菲涅耳衍射后形成的Pearcey光束，外形上很像两个经典Pearcey光束面对面组合而成，我们把它命名为双Pearcey光束，这是Pearcey光束家族的新成员。随后，利用数学突变理论中的Zeeman机制，给出了Pearcey和双Pearcey光束所具有的光学拓扑结构的数学机理。（3）时域，利用波动方程，研究了脉冲贝赛尔光束在自由空间传输时的空间诱导群速度色散（SIGVD）效应。结果表明，三阶SIGVD能使脉冲贝赛尔光束的时域逐渐演化为艾里分布。因此，提出了利用色散管理技术补偿二阶SIGVD，利用三阶SIGVD在自由空间产生一种能保持空域不衍射、时域不色散的艾里-贝赛尔光弹的方案。