光折變與光致異構光學空間孤子及其穩(wěn)定性研究.pdf

1、光束在非線性介質中傳播時，如果非線性效應恰好能和衍射效應相平衡，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空間孤子。由于光學空間孤子在全光開關、光波導、光計算、自尋址和可重構光網絡中潛在的應用價值以及非線性基礎理論等方面的重要意義，它已成為非線性光學領域的研究熱點之一。相比于克爾空間孤子，由光折變非線性及光致異構非線性形成的光學空間孤子需要較低的光功率，比較利于實際應用，所以引起人們的廣泛關注。目前，光學空間孤子的理論研究正從

2、簡單結構到復雜結構孤子，從標量到矢量孤子，從相干到非相干孤子，從均勻介質到離散系統(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重要方面，因為從物理上考慮，只有穩(wěn)定的(或弱不穩(wěn)定)孤子才能在實驗中觀察和控制。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，光致異構非線性聚合物中非相干耦合光束的調制不穩(wěn)定性研究也未見報道。此外，晶格孤子的研究主要集中在周期性晶格、準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，形成光學晶格的有限寬光束可能會附加產生一個有效二次中心勢晶格，這個二次中心勢的影響尚需考察。另一方面，對于光致異構孤子，目前的理論僅僅基于“角度燒孔”機制，但人們在實驗中又發(fā)現依賴于“分子重取向”的孤子，所以有關孤子形成機制需要進一步深入研究。
　　 本論文針對這些存在問題進行研究，具體主要包括以下幾個方面：
　　 (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晶格方法形成晶格孤子。研究表明，雖然Fe∶LiNbO3晶體呈現的是自散焦非線性，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“內部模式”。據我們所知，這是晶格孤子內部模式的首例報導。對于矢量孤子和晶格孤子，內部模式的存在表明它們的動力學傳播過程是穩(wěn)定的。我們的數值結果表明在受到微擾作用下，它們的演化呈現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光在“調制性的”周期晶格附加一個二次中心勢中演化的動力學過程。當把光波在這種晶格中傳播動力學行為類比到固體物理學中

6、電子波的行為，例如布洛赫振蕩、朗道-齊納隧穿等時，我們發(fā)現不同于附加線性勢的情況，信號光在發(fā)生朗道-齊納隧穿時的能量輻射被二次中心勢束縛在中心。若用窄信號光束激發(fā)，信號光的動力學行為對激發(fā)位置比較敏感，但選擇適當的參數，信號光可以以空間孤子的形式傳播。
　　 (c)采用解析和數值的方法研究了具有光致異構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制不穩(wěn)定性。目前關于光致異構光學空間孤子的研究主要

7、集中在單分量孤子。一個自然的問題是能否在光致異構非線性材料中形成矢量孤子。因為調制不穩(wěn)定是產生孤子的前兆，所以我們詳細研究了在DR1-PMMA聚合物中兩束非相干耦合光束產生的調制不穩(wěn)定過程。我們的結論是，信號光的調制不穩(wěn)定可以通過選擇信號光和背景光的不同波長組合或調節(jié)信號光和背景光的光強比來控制。而且，在特定的參數條件下可以形成亮-亮光致異構矢量孤子。
　　 (d)研究了“分子重取向”效應對光致異構光學空間孤子的影響。以前關于光