【摘要】：光學(xué)學(xué)科經(jīng)歷了幾何光學(xué),波動光學(xué),量子光學(xué)到現(xiàn)代光學(xué)幾個時期。隨著人們對光的認(rèn)識越來越深入,光學(xué)發(fā)展帶來的科技進(jìn)步正迅速變革人類的生產(chǎn)生活。特別是上世紀(jì)下半葉激光的問世以來,光學(xué)與光電子學(xué)科得到了蓬勃發(fā)展,逐步應(yīng)用于眾多技術(shù)領(lǐng)域,如光通信、光學(xué)度量、光學(xué)成像以及激光加工等。基礎(chǔ)研究決定了應(yīng)用研究,光學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展離不開科研工作者對光基本物理屬性與規(guī)律的研究與掌握。光的基本物理屬性包括光的能量、動量以及角動量等物理量,而就光本身的電磁場自由度而言,包含振幅、偏振、頻率(波長)以及相位四大自由度。對于具有一定空間維度的光場,其振幅、偏振與相位又可以隨橫向空間不同位置而變化。這類光場稱為結(jié)構(gòu)光場,例如,偏振取向隨空間位置周期變化的矢量偏振光場,相位隨空間位置周期變化的渦旋光場,以及更一般的被電介質(zhì)界面束縛的倏逝場。結(jié)構(gòu)光場會表現(xiàn)出很多不同于傳統(tǒng)的平面相位光場的特殊性質(zhì),其基本物理量在空間上也呈現(xiàn)多維度特點,特別是其動量與角動量,具有橫向與縱向指向性。另外,人們要利用光,必須能任意操控光,掌握光與物質(zhì)相互作用的基本物理規(guī)律。由于光的自由度與基本物理量具有豐富的空間維度,當(dāng)其與物質(zhì)互相作用時會表現(xiàn)出很多新的光學(xué)效應(yīng),例如渦旋光場的旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng),倏逝場的自旋霍爾效應(yīng)等。具體到本文,第二章首先梳理了與電磁場相關(guān)的能量、動量、角動量以及偶極子光力等表達(dá)式。然后探索研究矢量場的疊加態(tài)產(chǎn)生光學(xué)自旋與軌道角動量的物理機(jī)制,得到任意平均角量子數(shù),并揭示一種普遍的自旋-軌道耦合效應(yīng)。最后研究納米光纖本征矢量模式的橫向自旋表現(xiàn)形式,得到了取最大表面橫向自旋的極值條件。傳統(tǒng)的基于微納波導(dǎo)自旋-軌道耦合效應(yīng)開發(fā)的光子手性耦合行為,由于存在大量的能力損耗,導(dǎo)致其耦合效率低下。為解決這個問題,本文第三章基于倒拉錐硅基波導(dǎo)的模式轉(zhuǎn)換與干涉原理,設(shè)計并制作了一種超高定向性與耦合效率的硅光手性耦合器。其定向性接近?1,耦合效應(yīng)能達(dá)到70%以上。渦旋光束能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng),本文第四章從相位變化、能量轉(zhuǎn)換及動量守恒等不同角度研究了渦旋光束的旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng),揭示了其與傳統(tǒng)線性多普勒效應(yīng)之間的內(nèi)在聯(lián)系。在此基礎(chǔ)上開發(fā)出一種結(jié)構(gòu)光干涉測量法,用于物體多維運動信息的同步測量。光纖中的本征矢量模作為結(jié)構(gòu)光場具有很多特殊性質(zhì),本文第五章系統(tǒng)研究了光纖結(jié)構(gòu)光場的導(dǎo)波性質(zhì)以及耦合特性。首先利用瓊斯矩陣展開揭示光纖本征矢量模式與圓偏渦旋模式之間的關(guān)系,然后基于耦合模理論發(fā)現(xiàn)光纖矢量模耦合內(nèi)秉的偏振依賴與隔離特性。在此基礎(chǔ)上,最后揭示了螺旋光纖光柵對光纖模式軌道角動量的轉(zhuǎn)換原理,并設(shè)計了一種基于矢量模輔助耦合的全光纖偏振分束與旋轉(zhuǎn)器。
【圖文】：

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文生的高能激光束作用于被加工物體上，導(dǎo)致光熱效應(yīng)，能對目標(biāo)物體進(jìn)行、焊接等處理。高能激光束甚至能誘導(dǎo)可控核聚變，制造人造太陽，解決需求問題[8]。近年來，在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上催生出的“互聯(lián)網(wǎng)+”新業(yè)務(wù)以及新一代人工智，都需依托信息技術(shù)的進(jìn)步。因此，日益增長的數(shù)據(jù)量對光通信容量的增切要求。光通信技術(shù)中的正交振幅調(diào)制、時分復(fù)用、波分復(fù)用以及偏振復(fù)光的基本物理維度用完，業(yè)界急需開發(fā)光的新自由度復(fù)用技術(shù)來突破容。另外，，受傳統(tǒng)集成電路的啟發(fā)，近些年發(fā)展起來的集成光學(xué)對光在更小、調(diào)控、信息處理等提出了極高要求。微納光子學(xué)作為光學(xué)學(xué)科新的分支旨在研究在微納尺度下超束縛光場的基本特性，以及光與物質(zhì)相互作用的,12]。

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文構(gòu)建智慧城市，建設(shè)萬物互聯(lián)的新社會形態(tài)，關(guān)鍵技術(shù)之一是鋪設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)對物體屬性信息的識別與讀取。光學(xué)測量、傳感以及成像技術(shù)將在其中發(fā)揮不可取代的作用。對光學(xué)測量而言，其技術(shù)核心離不開光的干涉原理以及多普勒效應(yīng)等基本物理規(guī)律，表現(xiàn)為光作用在運動物體時會導(dǎo)致光的相位或頻率的改變。對光學(xué)傳感來說，光纖傳感技術(shù)憑借光纖輕便、頻帶寬、抗電磁干擾、成本低廉等優(yōu)勢已逐步取代傳統(tǒng)的電學(xué)傳感技術(shù)，在航天航空、工礦企業(yè)、建筑以及家用電器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[13,14]。其原理是基于外界物理參量的變化引起光纖中被調(diào)制光的振幅、相位、波長等自由度的變化。提取并監(jiān)測光的這些自由度參量變化就能實時獲知被監(jiān)測目標(biāo)的各類信息，如位置、位移、速度、溫度、壓力以及形變等。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O43

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

1 孫海濱;劉婷婷;孫平;;光學(xué)渦旋應(yīng)用于微測量的研究進(jìn)展[J];激光雜志;2015年06期

2 孫海濱;孫平;;渦旋光用于物體面內(nèi)位移變形測量的模擬[J];光電子·激光;2014年11期

3 孫平;李興龍;孫海濱;李峰;;渦旋光的干涉特性及其在變形測量中的應(yīng)用[J];光子學(xué)報;2014年09期

4 羅海陸;文雙春;;光自旋霍爾效應(yīng)及其研究進(jìn)展[J];物理;2012年06期

本文編號：2689474