光束的矢量性表征及其应用

【摘要】矢量性是激光束的一个重要特性。光束矢量性的研究发展了新的研究方法，丰富和拓展了近轴激光光学的研究内容，是激光光学的基础性研究课题。在激光光学中，光束矢量性的研究是一个存在已久的问题。自激光器问世以来，人们所熟悉的最为简单的近轴光束是均匀偏振光束（或称为标量光束），即它的偏振在横截面上的分布是均匀的。随着研究的深入，有关矢量光束的研究也得到了飞速的发展。矢量光束区别于标量光束的一个特点是，在近轴条件下矢量光束的偏振在横截面上的分布是不均匀的。近二十年来，人们认识比较清楚的矢量光束是柱矢量光束，即偏振呈圆柱对称分布的矢量光束。事实上，由于近轴近似理论本身存在着不自洽的矛盾，且实际工作中研究的大多是具有很大远场发散角的非近轴光束，近轴近似理论不再有效，引发了精确描述非近轴光束传输的大量理论研究，发展了多种表示非近轴光束的研究方法，如微扰级数法，角谱表示法，纵向分量法，虚点源法等等。但自激光器问世以来，现今所存在的有限光束的表示理论远不够完善，表现之一是在分析Imbert-Fedorov效应时对光束的物理性质存在争议。考虑光束的矢量性后，会揭示出更多光束本身的性质，包括光束的质心、光束的自旋霍尔效应、光束的自旋和轨道角动量以及非近轴光束的性质及其传播规律等。因此建立并完善包括矢量光束在内的有限光束表示理论并探索有限光束的矢量性就显得很有价值。2008年，李春芳以平面波谱表示方法为基础，通过引入一个全局特征单位矢量，提出了一套有限光束的表示理论，发现特征单位矢量能够表征有限光束的矢量性。他指出，当特征单位矢量垂直于光束传播轴时，可以得到这么一类矢量光束，在近轴近似下它在横截面上的偏振分布是均匀的；当特征单位矢量平行于光束传播轴时，可以得到这么一类矢量光束，在近轴近似下它在横截面上的偏振分布是不均匀的；当特征单位矢量既不垂直于也不平行于光束传播轴时，可以得到其它类型的矢量光束。这些光束都是严格地满足麦克斯韦方程组。由于特征单位矢量可作为一个指标来表征有限光束的矢量性，因此研究特征单位矢量的作用是本论文的主要内容。本论文的目的是，通过分析与光束矢量性相关的几个具体问题，包括矢量无衍射光束的表征，光束的质心和角动量的特征以及具有相同近轴近似行为的两类光束的不同矢量性，来研究特征单位矢量在表征光束矢量性中的作用。主要研究内容和创新性成果有：一、利用光束表示理论中的特征单位矢量，给出了矢量无衍射光束的光场表达式，并讨论了特征单位矢量、螺旋度及无衍射光束的锥角对矢量无衍射光束强度分布的影响；指出特征单位矢量可作为一个指标来表征具有不同偏振矢量的正交完备基，还指出由特征单位矢量所表征的矢量无衍射光束可作为一组正交完备基来表示任意偏振的矢量光束。二、给出了光子的位置算符，发现该位置算符不仅与螺旋度有关还与特征单位矢量有关；利用该位置算符研究了矢量无衍射光束的质心与特征单位矢量的依赖关系；通过分析光束在透射后特征单位矢量的变化，很好地解释了透射光束的自旋霍尔效应。三、介绍了光束角动量的严格分解；给出了光子的自旋和轨道角动量算符，通过分析自旋和轨道角动量算符，解释了光束的角动量为什么不能简单地分解为与螺旋度有关的自旋角动量和与螺旋度无关的轨道角动量；指出了特征单位矢量平行于光束传播轴时的矢量光束是角动量沿着传播轴方向分量的本征态。四、通过特征单位矢量的不同选取，给出了两类具有相同近轴近似行为的矢量无衍射光束的光场表达式；通过分析和比较这两类矢量无衍射光束的矢量结构和角动量属性，指出这两类矢量光束虽具有相同的近轴近似行为，但它们分属于两类具有不同矢量性质的光束；指出实验上利用两束均匀偏振光束的叠加来产生柱矢量光束的方法是存在问题的。
【作者】杨双燕；
【导师】李春芳；
【作者基本信息】上海大学，无线电物理，2014，博士
【关键词】矢量光束；特征单位矢量；光束质心；光束角动量；无衍射光束；

【参考文献】
[1]郝建臻.我国信访制度的宪法思考[D].中国政法大学,宪法学与行政法学,2004,硕士.
[2]艾雪.经营者管理模式对企业降本增效的影响分析[D].云南财经大学,会计（专业学位）,2014,硕士.
[3]赵丹.水杨酸对人角质形成细胞丝聚蛋白和激肽释放酶7表达的影响[D].大连医科大学,皮肤病与性病学,2012,硕士.
[4]王耀谦.美国对“跨大西洋经济一体化”的政策变化[D].外交学院,外交学,2014,硕士.
[5]赵素艳.橡胶沥青混合料路用性能及其温拌效果研究[D].吉林大学,交通运输工程,2014,硕士.
[6]贾春霞.理气活血解郁方合认知行为疗法治疗老年脑卒中后抑郁临床疗效的研究[D].浙江中医药大学,中医临床基础,2014,硕士.
[7]王磊.多肽纤维的制备以及石墨烯基超级电容器的制备及其电化学性能研究[D].西北大学,2011.
[8]曹艾达.上海公共租界肉类供应卫生管理[D].华东师范大学,中国近现代史,2013,硕士.
[9]孟祥飞.噪声类干扰的拖曳式诱饵干扰效果分析[D].西安电子科技大学,电路与系统,2012,硕士.
[10]何悦.《中国民俗文化》选修课教材及教学探究[D].河北师范大学,学科教学,2014,硕士.
[11]陈德军,盛翊智,陈绵云.基于数据仓库的OLAP在DSS中的应用研究[J].计算机工程与应用,2003,01:30-31+61.
[12]姜俊先.民间借贷行为影响因素分析[D].山东大学,金融（专业学位）,2013,硕士.
[13]宋青松,冯祖仁,李人厚.回响状态网络输出连接权重的一个稳定训练方法[J].控制与决策,2011,01:22-26.
[14]李林高.基于哈密顿体系辛几何多口径面天线微波场的研究[D].大连理工大学,通信与信息系统,2004,硕士.
[15]夏明.高速铁路列车运行图网络协同编制优化方法与关键技术研究[D].北京交通大学,2011.
[16]王逸君.小组工作方法在解决幼儿隔代教养问题中的应用研究[D].苏州大学,社会工作（专业学位）,2014,硕士.
[17]陈肖慧.新民主主义革命时期中共的人民幸福观研究[D].山东师范大学,中共党史,2013,硕士.
[18]刘兴东,范植昱.基于蠕变参数的路面车辙有限元预估模型[J].中外公路,2015,01:43-45.
[19]解晨.基于Landweber重构的分布式压缩视频感知研究[D].苏州大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[20]刘新宇,李庆予.基于数据仓库与数据挖掘技术的质量控制系统设计与实现[A].中国科学技术协会.第六届全国计算机应用联合学术会议论文集[C].中国科学技术协会:,2002:5.
[21]陈义鹏.基于稀土配合物NdQ及PbS量子点的近红外电致发光器件的研究[D].天津理工大学,凝聚态物理,2013,硕士.
[22]生玉平.大鼠主动脉衰老进程的比较蛋白质组学研究[D].山东大学,老年医学,2013,硕士.
[23]张素君.我国巨灾保险法律制度研究[D].山东大学,法律（专业学位）,2013,硕士.
[24]田小飞.蕃部与“安史之乱”的平定[D].西北民族大学,中国少数民族史,2012,硕士.
[25]陈永府.基于三维几何模型的计算机辅助工艺规划技术[D].华中科技大学,2006.
[26]高艳峰.基于NBS模型的混沌控制及其在信号检测中的应用研究[D].杭州电子科技大学,计算机应用技术,2011,硕士.
[27]姜亚青.压铸模具激光仿生强化工艺决策系统研究[D].太原科技大学,机械工程,2014,硕士.
[28]陈芳,吴俊,杨丽琼,程细雨.试论大学生新生适应性教育——基于大学新生适应性状况调查分析[J].现代物业(中旬刊),2013,10:86-87.
[29]高广阔,于明洋.生态文明建设统计测度方法的研究进展[J].统计与决策,2014,13:33-36.
[30]沈际海,张健民.基于图像测量的热轧板坯翘扣头控制系统设计与实现[J].冶金自动化,2013,06:43-47.
[31]黄艳君.基于DTN交互式卫星远程教育系统的通信安全机制研究[D].内蒙古大学,计算机科学与技术,2013,硕士.
[32]张艳.家庭养育环境对依恋形成及社会情绪发展的影响[D].山东大学,儿科学,2013,硕士.
[33]余少珍.TRPC1参与氯化镉诱导人胚肾细胞凋亡的研究[D].南方医科大学,劳动卫生与环境卫生学,2012,硕士.
[34]周治江.聚硅氧烷基磁流变粘弹性材料制备与性能测试[D].重庆大学,仪器科学与技术,2014,硕士.
[35]沈元壤.非线性光学五十年[J].物理,2012,02:71-81.
[36]王强.基于动态规划与粒子群算法的轧制规程优化方法的研究[D].太原科技大学,材料加工工程,2014,硕士.
[37]刘龙.基于显著区域检测和TMBP的场景分类[D].苏州大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[38]谢子信.防滑降噪沥青路面配合比试验研究[D].中南林业科技大学,市政工程,2014,硕士.
[39]王倩.论联合国集体安全机制的缺陷及完善[D].西南政法大学,国际法学,2012,硕士.
[40]徐小丽.视觉特征对船舶驾驶行为的影响研究[D].武汉理工大学,交通运输规划与管理,2012,硕士.
[41]刘红妤.概念转喻视域下的英语委婉语研究[D].吉林大学,外国语言学及应用语言学,2013,硕士.
[42]任真.2004年哪些应用值得期待?[J].中国计算机用户,2004,03:17-18.
[43]马坚伟,徐杰,鲍跃全,于四伟.压缩感知及其应用:从稀疏约束到低秩约束优化[J].信号处理,2012,05:609-623.
[44]边信黔,程相勤,贾鹤鸣,严浙平,张利军.基于迭代滑模增量反馈的欠驱动AUV地形跟踪控制[J].控制与决策,2011,02:289-292+296.
[45]杨嗣明.乌鲁木齐绕城高速公路（东线）路线方案研究[D].长安大学,建筑与土木工程（专业学位）,2013,硕士.
[46]萨日娜.蒙古族中学以人为本学生管理模式的建构[D].内蒙古师范大学,公共管理（专业学位）,2013,硕士.
[47]牟文谦,郑士鹏.论中国特色社会主义文化建设的基本功能[J].理论导刊,2014,05:68-72.
[48]张春飞,潘炳力,张玉清.石墨/聚合物纳米复合材料研究新进展[J].化工新型材料,2010,11:21-23+48.
[49]张绍辉.农田水利建设影响因素分析[D].江西农业大学,农村与区域发展,2012,硕士.
[50]陈进.项目管理在中小型企业的运用[D].广西大学,工商管理,2004,硕士.