众所周知,飞秒激光脉冲用于近场光学显微镜是当前比较热门的研究。在近场光学显微镜中采用超快激光照明,使近场光学显微镜在空间和时间上达到超高和超快分辨,为我们研究光场在界面及其近场范围内的传播特性提供了新的手段。作为近场光学显微镜的关键部件之一,孔径为亚微米尺度的光纤探针决定了近场光学显微镜的分辨率、灵敏度和传输效率。因此对飞秒激光在光纤探针中传输特性的研究不仅对于超快飞秒激光光场的建立,而且对于光场传播的动力学过程、探针结构的设计都有着重要的基础意义。本文利用三维时域有限差分法(3D-FDTD),对飞秒激光在亚波长尺度的锥形镀膜光纤探针的近场光场分布进行了数值模拟计算和理论研究。首先研究了飞秒脉冲在探针中传输的时域、频谱和相位特性,并分析了探针的结构对这些特性的影响;接着在探针输出端平面内,通过对脉冲中光波振荡的一个周期内不同时刻的光场进行的计算、比较,获得了输出端平面内各空间点处光场的最大值和达到最大值时的时间,得到了探针近场的振幅和相位分布图象。首次获得了飞秒激光在光学探针中传输时光波近场的相位奇异。全文共分六章。第一章主要介绍了课题的研究背景,简单概述了近场光学显微技术、飞秒激光脉冲及两者相结合的理论、应用及发展现状。第二章介绍了时域有限差分法(FDTD)的基本原理及特点。时域差分法是从麦克斯韦方程出发,给出基本差分方程,并且讨论了时域有限差分法(FDTD)数值解的稳定性和时间步长与空间步长之间的关系,对其数值色散问题进行了分析。对时域有限差分法目前比较常用的完全匹配层(PML)吸收边界条件的原理做了详细介绍。通过在区域截断边界处设置一种特殊的介质层,即人为的设置具有一定电导率和磁损耗系数的介质,使得用有限的网格空间就可以模拟电磁波在无界空间中的传播。这样的吸收边界条件可以有效消除网格截断引起的反射影响。第三章采用三维时域有限差分法对高斯型超快脉冲照明下锥形镀膜光纤探针内的光场进行了计算,研究了高斯型超快脉冲在锥形镀膜光纤探针中传输时的时域、频谱和相位特性,并计算了不同锥角和不同长度的探针对这些特性的影响。研究结果发现超快脉冲在探针中传输时出现了脉冲展宽、幅值振荡以及频谱分裂等现象,并且利用频谱和相位的变化特性初步解释了脉冲的展宽、振荡时间的持续增长以及脉冲振幅随时间发生了周期性变化等现象。第四章基于三维时域有限差分法(3D-FDTD )对超快激光透过金属镀膜光纤探针的光场分布进行了计算。通过对脉冲中光波振荡一个周期内不同时刻的光场进行了计算、比较,获得了输出端平面内各空间点处光场的最大值,得到了探针近场的振幅分布图象。探针的振幅分布图像与瞬时的电场分布图像不同,其分布图像最大的特点是不受时间调制,能够真正反映空间各点光强的大小。通过结果我们发现输入时沿y方向偏振的高斯飞秒激光脉冲在输出端平面内得到的振幅分布是关于x轴和y轴均对称的蝴蝶形状,并且在振幅分布图上有两个对称分布的弓形零值线。通过对接近和在零值线上点的Ey光场随时间演化的分析,我们发现了在零振幅线所对应光波的一个振荡周期内,零振幅线上的点出现了波形畸变,并且畸变出现在两个波包刚开始叠加的位置。第五章利用数值模拟的方法对飞秒激光脉冲中光波振荡一个周期内不同时刻的光场进行了计算、比较,获得了输出端平面内各空间点处光场的最大值及达到最大值时对应的时间,得到了探针近场的振幅和相位分布。在研究振幅分布的过程中发现了在探针输出端的有些区域振幅始终为零,即在光波振荡的一个周期内这些区域的光强始终为零。光强零值点处的相位都不能确定,光强零值点称为相位奇异点,通过分析相位分布得到了相位奇异随时间的演化及相位奇异的特点。第六章总结了本论文的主要内容,制定了后续工作计划。