艾里光束研究进展与应用前景

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1、2013年第58卷第34期：1~8《中国科学》杂志社论文www.scichina.comcsb.scichina.comSCIENCECHINAPRESS艾里光束研究进展与应用前景①②③②④②③⑤③⑥②③*张泽,胡毅,赵娟莹,张鹏,陈志刚①中国科学院光电研究院,北京100094;②南开大学泰达应用物理学院,天津300457;③DepartmentofPhysicsandAstronomy,SanFranciscoStateUniversity,SanFranciscoCA94132,USA;④INRS-E

2、MT,1650Blvd.Lionel-Boulet,Varennes,QuébecJ3X1S2,Canada;⑤北京理工大学光电学院,北京100081;⑥NanoscaleScienceandEngineeringCenter,UniversityofCalifornia,BerkeleyCA94720,USA*联系人,E-mail:zgchen@nankai.edu.cn????????????收稿,?????????????接受国家自然科学基金(11304165)和国家重点基础研究发展计划(2013C

3、B632)资助摘要近年来,艾里自加速光束因具有无衍射、自弯曲传输以及自愈等奇异特性引起了人们的关键词广泛关注．该光束的光场振幅分布遵从艾里函数,并满足类似薛定谔型的波动方程．在过去短艾里光束短的几年时间里,人们对它的研究涉及了理论和实验、线性和非线性、基础研究和潜在应用等自加速光束多个方面．艾里光束先后被应用到了光学微粒操控、光子弹及等离子体通道的产生、表面等离无衍射光束自弯曲传输子体激元的诱导、电子加速、艾里激光器等众多研究领域,推动自加速光的研究成为一个激动自愈人心的前沿课题．本文从理论模型、实验实现

4、和应用进展三个方面简单综述了艾里光束的研究空间光调制现状,并探讨其潜在的研究内容和应用前景.衍射是光束的基本特性．由于衍射,激光束在传在一定的传输距离内,相比高斯光束,它们仍具有很输过程中,光斑逐渐增大,能量逐渐分散．随着激光在好的无衍射特性,因而被称作“近无衍射光束”.下文通信、军事等长距离传输领域应用的不断拓展和深化,中如无特殊说明,无衍射光束均指近无衍射光束.人们越来越希望消除衍射,降低激光束的传输耗散.最具代表的沿直线传输的无衍射光束是贝塞尔[7]最初,人们对消除衍射的研究仅限于非线性材(Bess

5、el)光束,而最具代表的沿曲线传输(横向自加料中.比如,在非线性晶体中,其非线性自聚焦效应速)的无衍射光束是最近热门研究的艾里(Airy)光[1~3][10]可以抵消光束的衍射,形成空间光孤子,实现激束.艾里光束在2007年首先由Christodoulides研[11]光束的长距离传输.目前,空间光孤子研究已经取得究组实验实现.相比贝塞尔光束和马丢(Mathieu)许多重要进展,相关研究成果在光通信领域已经得光束,艾里光束除了具有无衍射和自愈特性外,还具[3~5]到应用.然而,在自由空间中,消除光束衍射的

6、有自弯曲传输的奇异特性.自弯曲传输的特性在相[6~9]需求也很迫切,比如激光雷达、激光武器等.由此,应领域具有特别的应用潜力,因此很快引起了研究[12]一个新的研究领域应运而生——无衍射光束.人员的广泛关注.理论上无衍射光束携带无穷大的能量,因此严1理论基础及研究进程格来讲实际并不存在.目前主要利用孔径光阑对无衍射光束进行“截趾”来产生这些光束.虽然“截趾”后在量子力学框架下,薛定谔方程被用来描述粒的无衍射光束不再保持绝对无衍射的形式传输,但子和波的运动,其一维形式为:引用格式:张泽,胡毅,赵娟莹,等.艾

7、里光束研究进展与应用前景.科学通报,2013,58:1–1ZhangZ,HuY,ZhaoJY,etal.ResearchprogressandapplicationprospectofAirybeams(inChinese).ChinSciBull(ChinVer),2013,58:1–1?,doi:10.1360/972013-11252013年12月第58卷第34期2它们的传输行为如图1(a2),(b2)所示.研究中,通常i0,(1)2tm2x把遵循(3)式的艾里光束称作无限能量艾里

8、光束,把其中m为粒子的质量.1979年,Berry和Balazs[13]在上遵循(4)式的艾里光束称作为有限能量艾里光束.对述方程中求得一个特殊的解:具有艾里函数空间分比图1(b1)和(b2)发现,由于“截趾”的原因,有限能量布的粒子和波在时间演化的过程中表现出不扩展以艾里光束表现出一定的衍射,但仍具有自弯曲传输[10,11]及自加速的奇异特性.然而,Berry和Balazs的研究的特性.同时表明,遵循该解的粒子和波因携带有无