光折變與光致異構(gòu)光學(xué)空間孤子及其穩(wěn)定性研究.pdf

1、光束在非線性介質(zhì)中傳播時(shí)，如果非線性效應(yīng)恰好能和衍射效應(yīng)相平衡，光束在傳播過程中保持形狀不變，那么這一光束就稱為光學(xué)空間孤子。由于光學(xué)空間孤子在全光開關(guān)、光波導(dǎo)、光計(jì)算、自尋址和可重構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)中潛在的應(yīng)用價(jià)值以及非線性基礎(chǔ)理論等方面的重要意義，它已成為非線性光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。相比于克爾空間孤子，由光折變非線性及光致異構(gòu)非線性形成的光學(xué)空間孤子需要較低的光功率，比較利于實(shí)際應(yīng)用，所以引起人們的廣泛關(guān)注。目前，光學(xué)空間孤子的理論研究正從

2、簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)到復(fù)雜結(jié)構(gòu)孤子，從標(biāo)量到矢量孤子，從相干到非相干孤子，從均勻介質(zhì)到離散系統(tǒng)中的晶格孤子，以及從局域非線性到非局域非線性孤子發(fā)展，而穩(wěn)定性則是孤子研究的一個(gè)重要方面，因?yàn)閺奈锢砩峡紤]，只有穩(wěn)定的(或弱不穩(wěn)定)孤子才能在實(shí)驗(yàn)中觀察和控制。此前，光伏光折變晶體中的矢量孤子和晶格孤子的穩(wěn)定性未見討論，光致異構(gòu)非線性聚合物中非相干耦合光束的調(diào)制不穩(wěn)定性研究也未見報(bào)道。此外，晶格孤子的研究主要集中在周期性晶格、準(zhǔn)周期性晶格以及一些所謂的“不

3、衍射”晶格，如Bessel、Mathieu晶格等等。然而，在一些特殊情況下，形成光學(xué)晶格的有限寬光束可能會(huì)附加產(chǎn)生一個(gè)有效二次中心勢(shì)晶格，這個(gè)二次中心勢(shì)的影響尚需考察。另一方面，對(duì)于光致異構(gòu)孤子，目前的理論僅僅基于“角度燒孔”機(jī)制，但人們?cè)趯?shí)驗(yàn)中又發(fā)現(xiàn)依賴于“分子重取向”的孤子，所以有關(guān)孤子形成機(jī)制需要進(jìn)一步深入研究。
　　 本論文針對(duì)這些存在問題進(jìn)行研究，具體主要包括以下幾個(gè)方面：
　　 (a)研究了光伏光折變晶體中形

4、成的矢量孤子和晶格孤子及穩(wěn)定特性。我們采用數(shù)值方法研究了摻銅的鉀鈉鈮酸鍶鋇(Cu∶KNSBN)光伏光折變晶體中亮-亮非相干耦合矢量孤子及所謂的“內(nèi)部模式”。另外在摻鐵的鈮酸鋰(Fe∶LiNbO3)光伏光折變晶體中通過光誘導(dǎo)晶格方法形成晶格孤子。研究表明，雖然Fe∶LiNbO3晶體呈現(xiàn)的是自散焦非線性，但通過晶格的作用它也可以支持局域化的孤子。我們發(fā)現(xiàn)在周期晶格的半無限帶隙中存在三類晶格孤子：基本晶格孤子、高階晶格孤子以及反相的偶極晶格孤

5、子。和基本晶格孤子一樣，這些高階和偶極晶格孤子同樣存在“內(nèi)部模式”。據(jù)我們所知，這是晶格孤子內(nèi)部模式的首例報(bào)導(dǎo)。對(duì)于矢量孤子和晶格孤子，內(nèi)部模式的存在表明它們的動(dòng)力學(xué)傳播過程是穩(wěn)定的。我們的數(shù)值結(jié)果表明在受到微擾作用下，它們的演化呈現(xiàn)出周期性振蕩的特性并仍能保持能量橫向局域。
　　 (b)研究了光伏光折變晶體中的信號(hào)光在“調(diào)制性的”周期晶格附加一個(gè)二次中心勢(shì)中演化的動(dòng)力學(xué)過程。當(dāng)把光波在這種晶格中傳播動(dòng)力學(xué)行為類比到固體物理學(xué)中

6、電子波的行為，例如布洛赫振蕩、朗道-齊納隧穿等時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)不同于附加線性勢(shì)的情況，信號(hào)光在發(fā)生朗道-齊納隧穿時(shí)的能量輻射被二次中心勢(shì)束縛在中心。若用窄信號(hào)光束激發(fā)，信號(hào)光的動(dòng)力學(xué)行為對(duì)激發(fā)位置比較敏感，但選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)，信號(hào)光可以以空間孤子的形式傳播。
　　 (c)采用解析和數(shù)值的方法研究了具有光致異構(gòu)非線性的聚甲基丙烯酸甲酯摻雜分散紅-1(DR1-PMMA)中非相干耦合光束的調(diào)制不穩(wěn)定性。目前關(guān)于光致異構(gòu)光學(xué)空間孤子的研究主要

7、集中在單分量孤子。一個(gè)自然的問題是能否在光致異構(gòu)非線性材料中形成矢量孤子。因?yàn)檎{(diào)制不穩(wěn)定是產(chǎn)生孤子的前兆，所以我們?cè)敿?xì)研究了在DR1-PMMA聚合物中兩束非相干耦合光束產(chǎn)生的調(diào)制不穩(wěn)定過程。我們的結(jié)論是，信號(hào)光的調(diào)制不穩(wěn)定可以通過選擇信號(hào)光和背景光的不同波長(zhǎng)組合或調(diào)節(jié)信號(hào)光和背景光的光強(qiáng)比來控制。而且，在特定的參數(shù)條件下可以形成亮-亮光致異構(gòu)矢量孤子。
　　 (d)研究了“分子重取向”效應(yīng)對(duì)光致異構(gòu)光學(xué)空間孤子的影響。以前關(guān)于光