宇称时间对称介质中飞秒涡旋光束的演化及控制机理研究

Femtosecond vortex beam (FVB) with unique properties has broad application prospects in many fields, such as optical communications and optical micromanipulation. However, the FVB needs to keep a high beam quality during practical application. Therefore, the researchers always concern about the problem that is how to obtain the high beam quality of FVB. In this proposal, the nonlinear propagation characteristics of FVB in parity-time (PT) symmetric medium will be investigated systematically. The effects of PT symmetric medium properties on the evolution of FVB and control mechanism are found, thus the high beam quality of FVB is obtained. The contents and objectives for this research are as follows. Firstly, the evolution laws of FVB under spatio-temporal nonlinear effects are obtained by research on the FVB propagating in conventional high nonlinear medium. Secondly, after getting the evolution laws of FVB during spatio-temporal nonlinear effects, the evolution laws of FVB under different structure PT symmetric medium are obtained by studying the effect of PT symmetric medium properties on FVB deeply. Finally, based on the evolution laws of FVB under spatio-temporal nonlinear effects and different structure PT symmetric medium, the control mechanism is found by investigating the PT symmetric medium how to manipulate FVB systematically, thus the high beam quality of FVB is obtained. The expected results will develop the active methods for manipulating the FVB, and make valuable contributions to the practical long distance laser communication.

飞秒涡旋光束具有奇异特性，在光通信、光学微操纵等领域具有广阔的应用前景，但需要其保持较高的光束质量。因此，如何获得高光束质量的飞秒涡旋光是研究者们一直关注的问题。本申请拟对飞秒涡旋光束在宇称时间对称介质中的非线性传输特性进行系统研究，挖掘介质特性对飞秒涡旋光束演化规律影响及控制机理，获得高光束质量的飞秒涡旋光。具体研究内容及目标为：研究飞秒涡旋光束在常规高非线性介质中的演化，获得其在时空非线性效应下的演化规律；基于飞秒涡旋光束在时空非线性效应下的演化规律，深入研究宇称时间对称介质特性对飞秒涡旋光束的演化影响，获得其在不同结构宇称时间对称介质下的演化规律；基于飞秒涡旋光束在时空非线性效应和不同结构宇称时间对称介质下的演化规律，系统研究宇称时间对称介质对飞秒涡旋光束的控制机理，获得高光束质量的飞秒涡旋光。预期成果有望形成主动调控飞秒涡旋光束的方法，还为将来能够应用于实际远距离激光通信奠定基础。

随着超短激光脉冲技术的快速发展，一些新型脉冲光束不断被发现，例如飞秒涡旋光束，它在光通信、光学微操纵等领域具有广阔的应用前景，但需要其保持较高的光束质量。因此，研究和测量激光脉冲非线性传输过程中的时空演化特性，就是为了更好的控制输出光束质量。本项目的主要研究成果如下：(1)基于强度矩方法研究激光脉冲在PT对称介质中的演化特性，获得了激光脉冲能够稳定传输的条件。研究成果对于调控飞秒涡旋光束在PT对称介质中的演化特性具有一定的参考价值。(2)基于奇次平衡法和F展开技术研究激光脉冲在非均匀非线性介质中的演化特性，获得了激光脉冲能够稳定传输的条件。研究成果对于激光脉冲的非线性传输扩展及调控具有一定的参考价值，并为调控飞秒涡旋光束在PT对称介质中的演化特性提供参考方法。(3)研究高阶效应和啁啾等参数对捕获孤子的演化影响，获得了捕获孤子的一些演化规律。研究成果为超连续谱和宽带激光光源产生提供一定的参考价值。(4)精密测量激光脉冲非线性传输中的时空演化特性，分别获得了啁啾飞秒激光脉冲非线性传输过程中特定空间位置的时间脉宽演化规律，以及皮秒激光脉冲的初始时域精细结构和非线性传输过程中的时空演化特性。研究成果为下一步在实验上精密测量飞秒涡旋光束在PT对称介质中不同空间位置的时间脉宽演化特性提供一种有效方法。