光束在左手材料中的强度和相位旋转特性

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1、第２２卷第８期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．８２０１０年８月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＡｕｇ．，２０１０文章编号：１００１４３２２（２０１０）０８１８３４０５光束在左手材料中的强度和相位旋转特性向延英，罗海陆，文双春（湖南大学计算机与通信学院，微纳光电器件及应用教育部重点实验室，长沙４１００８２）摘要：建立了左手材料中拉盖尔高斯光束传输模型，通过研究拉盖尔高斯光束的相位分布来分析光束的强度旋转特性。具体分析了光束参数模式、Ｇｏｕｙ相、频率和色散对光束强度和相位旋转特性的影响。研究发现：方位角相差是导致光束强度旋转

2、的主要原因；负折射率引起的逆的Ｇｏｕｙ相移将会导致光束强度反转；在正常色散区左手材料中光束的强度和相位旋转方向是相同的，而在反常色散区，左手材料中光束的强度和相位旋转方向是相反的。关键词：左手材料；拉盖尔高斯光束；强度旋转；Ｇｏｕｙ相移中图分类号：Ｏ４３６文献标志码：Ａ犱狅犻：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１０２２０８．１８３４［１］１９６４年前苏联物理学家Ｖｅｓｅｌａｇｏ第一次提出了负折射率介质也即左手介质，这是一种介电常数和磁导率同时为负值的超常材料。由于自然界不存在具有负折射率的材料，Ｖｅｓｅｌａｇｏ的理论没有引起人们的重视。直到２０００年，Ｓｍｉｔｈ

3、小组首次利用开口环谐振（ＳＲＲｓ）制备出微波段同时具有负介电常数、负磁导率材［２］料，负折射率材料引起广泛关注。左手材料具有很多反常电磁特性，如放大消逝波、逆多普勒效应、逆的古斯［３５］汉森相移等。同时左手材料中的光束传输也展现许多新奇的特性，如波前和横向能流反转，逆的Ｇｏｕｙ相［６８］移、逆的瑞利距离等。可以利用左手介质中的反常特性来实现新颖的光学操控方法。Ｔｓａｋｍａｋｉｄｉｓ等人利［９］用左手介质中的逆古斯汉森相移特性可以将光速降至为零，从而为光存储提供了新方法。Ｌ．Ａｌｌｅｎ等通过［１０］研究拉盖尔高斯光束发现光子具有轨道角动量，因此理论上可以

4、产生任意不同光子态，这为构造量子比特、［１１］实现量子计算机提供了重要手段。通过对拉盖尔高斯光场中光学角动量的研究，发现拉盖尔高斯光束在光［１２］学微观粒子操控领域具有很大应用前景，如捕获和引导粒子等。上述应用都是通过控制拉盖尔高斯光束的强度和相位实现的，左手材料的反常特性将可能为控制光束的强度和相位提供新的方法。本文将研究光束在左手材料中的强度和相位旋转特性，建立了左手材料中拉盖尔高斯光束传输模型，通过研究拉盖尔高斯光束的相位分布来分析光束的强度旋转特性，具体分析了光束参数模式、Ｇｏｕｙ相、频率和色散对光束强度和相位旋转特性的影响。１光束在左手材料中的传输

5、模型为了研究光束在左手材料中的强度和相位旋转特性，选择具有代表性的拉盖尔高斯光束作为研究对象。每一个光子光束带有自旋角动量，在直角坐标系下沿＋狕方向传输的光束矢量场分布为犈＝犈０狌狆犾（狉）ｅｘｐ（ｉ狀犽０狕－ｉω狋）（１）式中：犈为复振幅；狀为有效折射率；犽／犮，其中ω为频率，犮为真空中光速；狆表示沿半径狉方向有狆＋１个００＝ω节点；犾指沿辐角方向有犾根节线。φ为了系统分析光束在左手材料中的相位和强度旋转特性，我们对传统右手材料和左手材料中光束传输模［６］型采用不同的坐标变换狕（犻＝１，２），拉盖尔高斯场分布可表示为犻２２２狌犆狆犾［槡２狉］犾Ｌ犾［２狉］

6、ｅｘｐ［－狉］ｅｘｐ［－ｉ狀犽０狉狕犻］×狆犾＝狆２（狕）２（狕）狑（狕犻）狑（狕犻）狑犻狑犻犚（狕犻）ｅｘｐ（ｉ犾φ）ｅｘｐ［－ｉ（２狆＋犾＋１）ａｒｃｔａｎ（狕犻／狕Ｒ）］（２）收稿日期：２００９１１１６；修订日期：２０１００３１７基金项目：国家自然科学基金项目（１０８０４０２９，１０９０４０３６）；国家博士后特别资助项目（２００９０２４６９）；国家博士后面上项目（２００８０４３１０１８）作者简介：向延英（１９８４—），女，硕士研究生，主要从事超常材料中光束传输与控制方面的研究；ｘｙｙｉｎｇ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ。通信作者：文双春（１９６６

7、—），男，教授，博士生导师，主要研究方向包括微结构光子学及器件、宽带光纤无线通信、高功率激光技术及应用等；ｓｃｗｅｎ＠ｈｎｕ．ｃｎ。第８期向延英等：光束在左手材料中的强度和相位旋转特性１８３５式中：犆为标准系数；Ｌ犾［２狉２／狑２（狕）］为缔合拉盖尔多项式；狑（狕）＝狑（狕／狕）为光束束宽；狕２／狆犾狆犻犻０槡１＋犻ＲＲ＝犽０狀狑０２／狕为波前曲率半径；（２狆＋犾＋１）ａｒｃｔａｎ（狕／狕）为Ｇｏｕｙ相移。２为相应的瑞利距离；犚（狕犻）＝狕犻＋狕Ｒ犻φ＝－犻Ｒ为了清楚地观察到光束强度和相位旋转，在本文中主要分析研究两个拉盖尔高斯光束线性叠加形成的涡旋光束。２

8、光束对模式参数的变化考虑两个相同偏振态拉盖尔高斯光束