光折变空间孤子

1、2014年春季学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考 核 科 目 :光 波 耦 合 理 论学生所在院（系）: 理 学 院 物 理 系学 生 所 在 学 科 : 光 学学生姓名: 王磊学号: 1 3S011062学生类别: 保研考核结果阅卷人光折变空间孤子的产生机理及其特性一、光折变空间孤子1 孤子概念的提出“孤子”一词，是近代数学和物理学中的一个重要概念。最近三十年来，孤子 现象受到人们的大量关注，孤子理论及应用取得了日新月异的进展，如今它已经 成为非线性科学领域中的一个重要研究课题。它最早发现及科学记载可追溯到 1834 年英国科学家 Russell 对著名的平移波的观察。引用他本人对此

2、描述“我认 为，介绍孤波最合适的方法是描述我第一次认识这一现象时的情景，我正在观察 由两匹马拉着的一只航船在窄河道中疾速行驶时的运动，船突然停止前进，但被 船所推动的河水并不停止，它积聚在船头，汹涌翻腾，然后呈圆滑的、轮廓分明 的孤立突起波形，突然以巨大的速度滚滚向前，离船而去，这个波沿着河道继续 前进，显然，并不改变其形状也不减少其速度，我骑马跟踪并且追上了它，它仍 然以每小时大约 8 至 9 英里的速度滚滚向前，并保持它原来的11.5 英尺高、30 英尺长的外形，水波高度渐渐减小，追逐了 12 英里之后，它消失在河道的拐弯 处。这就是在 1834 年8 月间我第一次偶然见到的奇妙而又美丽的

3、景象。我把这 种现象称为平移波。”当时 Russell 未能成功的证明他的论断，关于孤立波的问题在当时的许多物 理学家中引起了广泛的争论。六十多年后，荷兰著名数学家 Korteweg 和 de Vires 研究了浅水波的运动，建立了著名的 KdV 方程，并且给出了方程的孤立波解， 从而解释了 Russell观察到的现象，证明了孤立波的存在。1965年，美国著名科 学家 Kruskal 和物理学家 Zabusky 用数值模拟方法研究了等离子体中孤立波的碰 撞过程，结果发现孤立波在相互作用之后保持各自的波形不变，并且保持能量和 动量守恒，这一特点类似于粒子，因此他们将其命名为“孤立子”，简称“孤子

4、”。 自孤子概念提出后，孤子理论及应用研究得到了迅猛发展。目前孤子概念及理论 已经被广泛应用于物理学、天文学及生物学等各学科中，在流体力学、等离子体 物理、天体物理、超导物理、非线性光学以及分子生物等领域中的孤子现象也相 继被发现。2 光学孤子20世纪60年代激光的发明问世开创了许多新的光学研究领域，给古老的光 学学科带来了新的生机，引起了一门新兴学科的发展非线性光学。光和物质 相互作用过程中由于非线性效应的缘故带来了一些新的现象，从而推动了非线性 光学学科的迅猛发展，其中有关孤子的研究近年来引起了科学家的广泛关注，并 且开展了很多研究，许多理论己日趋成熟。光孤子概念是由Hasegawa和Ta

5、ppert于1973年首次提出的，他们预言当光 纤的色散效应和非线性自相位调制效应达到平衡时，光纤中可传播无色散的光脉 冲，由于这种光脉冲沿时间轴传播时脉冲宽度保持不变，因此被称为时间光孤子。 其研究过程大致可分为四个阶段：19731980 年主要以理论研究为主，以形成机 理、传输可能性、产生方法为主要标志；19801985 年以通信应用为明确目标， 着重研究传输理论、能量补偿放大等问题；1985 1988 年是光孤子通信研究蓬勃 发展的时期，这期间取得了多方面的突破，完善了传输方程，并将研究深入到影 响孤子传输的各种因素的理论分析；1989 年以后进入理论与实践纵深发展时期。空间光孤子是指当

6、非线性介质的自聚焦（或自散焦）效应与光束的衍射发散 作用相平衡时，在介质内无衍射向前传播的光束。当一束光在普通介质中传输时， 会发生衍射现象而使光束尺寸展宽（图1.1b所示）；在非线性材料中，由于入射 光束使材料内部特性（如折射率、吸收率或者其他频率转换等）发生变化，在光 强大的地方折射率也变大，在光强弱的地方折射率变化很小，这样在材料内部就 形成了一个类似于透镜的折射率分布，从而对光束进行聚焦，称为自聚焦效应（图 1.1a）；当自聚焦效应和衍射作用正好抵消时，光束尺寸就不会随传播距离而发 生变化，形成了空间孤子（图 1.1c）。图 1.1 空间光孤子形成示意图。实线位光束强度空间包络，虚线为

7、光波波前。（ a ）光束 发生自聚焦；（b）光束发生衍射展宽；（c）孤子传播。3 光折变空间孤子空间光孤子最初是在Kerr介质或类Kerr介质中产生的，在Kerr介质中，折 射率改变是正比于光束入射光强的，形成空间孤子所要求的功率密度很高（MW/cm2 量级），这就限制了它的实际应用。近些年来，人们研究发现在光折 变介质中也可以形成空间光孤子。光折变介质在光照情况下，其内部可以被激发 出自由电荷，这些自由电荷随光强空间分布而重新分布，进而产生空间电荷场， 空间电荷场通过线性电光效应使材料的折射率发生相应的变化，在介质中形成折 射率透镜或者波导，所形成的透镜或波导反过来会对光束产生一定的空间约束

8、会 聚作用，从而抵消光束在传播过程中由于衍射导致的波形展宽，使得光束在介质 中传播时候空间波形保持不变。这样，介质中就形成了光折变空间孤子。光折变 空间孤子和克尔介质中的孤子有本质不同，克尔孤子形成的机制是强光作用下介 质的二阶非线性效应，需要在很高入射光强下（MW/cm2量级）才能够产生，介质 中的折射率变化量和入射的绝对光强直接成正比关系；而光折变空间孤子形成机 制是光折变材料内部因光照而形成的非局域直流空间电荷场引起折射率的变化， 折射率变化量不依赖于入射绝对光强而依赖于入射光强和材料自身暗辐射强度 之比，通过调节此光强比，在低入射功率下（mW甚至，“W量级）就可获得很大的 折射率改变（

9、10-810-4）,从而能够很方便地形成空间光孤子。因此光折变空 间孤子成为近几年来非线性光学领域中的研究焦点。图 2列举了光折变空间光孤 子的分类以及研究内容，在这里就不一一赘述了。图 2 光折变空间孤子的分类二、光折变空间孤子的特性为了准确把握光折变空间孤子的特性，我们将常用的 Kerr 介质的孤子加入 来描述光折变空间孤子的特性。1、类 Kerr 空间孤子的产生需要很高的入射功率，而光折变空间孤子的产 生于入射与激光功率无关。因而光折变空间孤子能够在低的激光功率（约10/W 量级）下产生，在200mW/cm2的强度下已经能观察到了光折变空间孤子。它在 很宽的功率范围内均能以不变的空间断面

10、传播。当强度变化时，它能维持相同的 空间结构，甚至在存在损耗或者增益的情况下也能维持它们的空间断面不变。2、光折变空间孤子能在两个横向尺度内维持稳定（虽然由于在两个方向上 具有不同的Pockels系数，因而具有不同的截面），而类Kerr空间孤子只能在一 个横向尺度内保持稳定。3、光折变空间孤子容易被非相干光擦洗。4、沿晶体光轴 c 方向施加外电场 Ee 的数值只有在 Ed|E0| 0的自聚焦非线性材料中产生；反之，暗空间孤子则产生于An 0的自 散焦非线性材料中。因此，根据所需要产生的空间孤子的类型，可以选择相应An 的符号的光折变材料。因为光折变效应是空间电荷场通过 Pockels 效应实现

11、的， Pockels 效应在晶体介质中对于传播方向具有复杂的张量依赖关系。但我们能够 通过对光折变空间孤子的理论分析，得出它们的性质，从而建议采用适当的实验 组态、材料和晶体取向。三、应用前景光空间孤子在光学信息处理中具有广阔的应用前景。它可以应用于各种光子 器件。光折变空间孤子的上述特点使类 Kerr 空间孤子在实际应用中的困难迎刃 而解。这为加速光空间孤子的实用化提供了一条捷径。首先，由于它与入射光强 无关，甚至在ix W量级的激光功率下便可产生光折变空间孤子，因而对人射光 强没有阈值的要求，这使它在很宽的入射功率范围内均可适用。由于光折变空间 孤子在横向两个尺度上都能维持稳定，所以它实际上是光感应二维波导, 这对于 二维信息的处理与传输显然优