本文關(guān)鍵詞：局域空心光束的產(chǎn)生及其在粒子操控方面的應(yīng)用，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：空心激光束(在傳播方向上中心光強(qiáng)為零)是通過激光整形技術(shù)得到的一類新型激光束�？招募す馐嬖谠S多新穎又獨(dú)特的物理特性,比如桶狀光強(qiáng)分布、螺旋波陣面、中心相位奇異、具有自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量、暗斑尺寸小以及無加熱效應(yīng)等。正是這些新穎的物理特性使得空心激光束在激光冷卻和囚禁、光學(xué)鑷子、微觀粒子(生物細(xì)胞、原子、分子和電介質(zhì)粒子等)操控等方面發(fā)揮了巨大潛能且應(yīng)用前景廣闊,因此空心激光束引起了眾多科研工作者的關(guān)注。而在空心激光束中有一類強(qiáng)度分布更加特殊的種類引起了更多的關(guān)注,這類空心激光束在傳播方向上存在著光強(qiáng)極小甚至為零的三維封閉區(qū)域,該區(qū)域的周圍是高強(qiáng)度的光場(chǎng),像一個(gè)特殊的密閉容器,我們稱這類激光束為局域空心激光束。本文提出了三種產(chǎn)生局域空心激光束的方案：第一種方案是采用單模光纖,環(huán)形二元相位板和微透鏡組成的光束整形系統(tǒng)產(chǎn)生亞微米局域空心激光束。跟據(jù)瑞利-索莫菲衍射理論,我們數(shù)值計(jì)算了微透鏡焦平面附近的光場(chǎng)強(qiáng)度分布,并分別詳細(xì)研究了空心激光束的暗斑尺寸與單模光纖模場(chǎng)半徑和微透鏡焦距的關(guān)系。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：在微透鏡焦平面附近光場(chǎng)分布近似對(duì)稱,在焦點(diǎn)處場(chǎng)強(qiáng)近似為零,周圍場(chǎng)強(qiáng)逐漸增大,形成半徑約為0.4μm的三維封閉的球形空心光場(chǎng)區(qū)域,即亞微米局域空心激光束。當(dāng)局域空心激光束為藍(lán)失諧時(shí),光場(chǎng)中的原子將被囚禁在光場(chǎng)最弱處。若加上泵浦光,原子將受到藍(lán)失諧局域空心激光束與泵浦光共同激發(fā)的強(qiáng)度梯度Sisyphus冷卻。我們利用該方案產(chǎn)生的亞微米局域空心激光束構(gòu)建單原子的囚禁與冷卻器件,并以單個(gè)87Rb原子為例,利用Mont-Carlo方法研究亞微米局域空心激光束中單原子囚禁與強(qiáng)度梯度冷卻的動(dòng)力學(xué)過程,結(jié)果表明利用該器件可以獲得溫度在5.8μK量級(jí)的超冷單原子。第二種方案是基于非線性晶體的非線性效應(yīng)對(duì)激光束的相位調(diào)制作用,將入射高斯激光束整形為局域空心激光束。我們主要研究了高斯激光束基于非線性晶體ZnSe的非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)局域空心激光束的基本原理,以及光學(xué)系統(tǒng)基本參數(shù)對(duì)產(chǎn)生的局域空心激光束的參數(shù)的制約作用。跟據(jù)惠更斯-菲涅爾衍射理論,我們數(shù)值計(jì)算了局域空心激光束在自由空間沿著z軸傳播時(shí)不同位置處的光場(chǎng)強(qiáng)度分布以及傳輸特性,同時(shí)還研究了入射高斯激光束的束腰半徑對(duì)局域空心激光束參數(shù)的影響。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明束腰半徑的大小不僅影響局域空心激光束的暗斑尺寸的大小,還制約著局域空心激光束的勢(shì)阱深度。該方案產(chǎn)生的局域空心激光束在原子(分子)的冷卻囚禁等應(yīng)用方面提供了新的工具。第三種方案實(shí)驗(yàn)研究了基于圓孔衍射的局域空心激光束的產(chǎn)生。我們首先分析了高斯激光束通過圓孔衍射的理論,并根據(jù)瑞利-索末菲衍射理論數(shù)值計(jì)算了經(jīng)圓孔衍射后的高斯激光束在自由空間沿著z軸的傳播特性,計(jì)算結(jié)果表明衍射光束在自由空間傳播時(shí)z軸上存在一系列的光場(chǎng)強(qiáng)度的極大值和極小值,亦即存在一系列明暗區(qū)域。然后我們?cè)趯?shí)驗(yàn)上對(duì)基于圓孔衍射產(chǎn)生的局域空心激光束進(jìn)行了驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果與理論數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本吻合。本文還介紹了粒子分離操控的主要方法,并簡(jiǎn)述了中性分子囚禁的主要方法：靜電囚禁、靜磁囚禁、激光囚禁以及磁光囚禁。然后我們討論了基于單模光纖產(chǎn)生的局域空心激光束在冷分子光學(xué)的應(yīng)用,以分子光阱為例,數(shù)值計(jì)算了02分子在局域空心激光束焦點(diǎn)位置處光學(xué)勢(shì)的橫向分布及02在焦點(diǎn)位置處橫向平面上的光學(xué)偶極力分布,計(jì)算結(jié)果表明分子在藍(lán)失諧局域光阱中所受到的偶極力指向光場(chǎng)強(qiáng)度最弱的地方,分子在光場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí),被三維囚禁在局域空心光場(chǎng)中,局域空心激光束可被用作空心光阱,對(duì)分子進(jìn)行操控。
【關(guān)鍵詞】：局域空心光束 單模光纖 非線性晶體 圓孔衍射 粒子操控
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN24
【目錄】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 第一章 綜述：空心激光束、局域空心激光束概述12-36
• 1.1 引言12-13
• 1.2 空心激光束發(fā)展概述13-28
• 1.2.1 空心激光束的產(chǎn)生方法13-23
• 1.2.2 空心激光束的理論模型23-28
• 1.3 局域空心光束產(chǎn)生方法28-35
• 1.4 本文的研究工作35-36
• 第二章 基于單模光纖的局域空心激光束的產(chǎn)生及單原子在其中的強(qiáng)度梯度冷卻36-51
• 2.1 基于單模光纖的局域空心激光束的產(chǎn)生方案36-39
• 2.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析與討論39-45
• 2.3 亞微米藍(lán)失諧局域空心激光束中單原子強(qiáng)度梯度冷卻可行性分析與討論45-50
• 2.4 本章小結(jié)50-51
• 第三章 基于非線性晶體ZnSe的大尺寸局域空心激光束的產(chǎn)生及其傳輸特性的理論研究51-61
• 3.1 基于非線性晶體ZnSe的大尺寸局域空心激光束的產(chǎn)生方案51-54
• 3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析與討論54-60
• 3.3 本章小結(jié)60-61
• 第四章 基于圓孔衍射實(shí)現(xiàn)局域空心激光束的實(shí)驗(yàn)研究61-73
• 4.1 采用圓孔衍射實(shí)現(xiàn)局域空心激光束的理論基礎(chǔ)61-66
• 4.2 采用圓孔衍射產(chǎn)生局域空心光束的實(shí)驗(yàn)結(jié)果66-72
• 4.3 本章小結(jié)72-73
• 第五章 局域空心激光束在粒子操控方面的應(yīng)用73-83
• 5.1 粒子分離操控的主要方法73-76
• 5.2 中性分子的囚禁方法76-79
• 5.2.1 中性分子的靜電囚禁76-77
• 5.2.2 中性分子的靜磁囚禁77
• 5.2.3 中性分子的激光囚禁77-78
• 5.2.4 中性分子的磁光囚禁78-79
• 5.3 基于單模光纖產(chǎn)生的局域空心激光束在冷分子光學(xué)中的應(yīng)用79-82
• 5.4 本章小結(jié)82-83
• 第六章 總結(jié)與展望83-86
• 參考文獻(xiàn)86-92
• 發(fā)表論文目錄92-93
• 致謝93

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