（光学专业论文）光生伏打空间孤子理论及实验研究.pdf

摘要 本文对光折变空间孤子，特别是光生伏打空间孤子进行了理论和实验研究。 首先基于光折变效应的物理过程并根据光折变空间孤子的行成机理，从光折变效 应的动力学方程出发，得出了无背景光作用的光伏孤子空间电荷场及其演化方 程。同时，在适当的约束条件下，得出了相应的亮、暗孤子解。 在已有理论基础上详细分析了背景光在光伏孤子形成过程中的作用，得出了 a n 0 两种类型光折变晶体中分别形成亮、暗光伏孤子的条件；并从实 验上首次观察到折射率改变为负的l i n b 0 3 晶体中实现白散焦向自聚焦特性的转 化，并进而形成亮光伏孤子的实验事实；依据g l a s s 常数的光伏效应表征意义， 提出了光伏孤子形成过程中背景光的引入所导致的光伏载流子的竞争效应模型。 基于此，分析了背景光在此两种类型光折变晶体中实现自散焦和自聚焦特性相互 转化过程中的作用，得出了与前述理论分析相一致的结论，最终阐明了此光折变 特性相互转化的内在物理机制。 同时，也对部分非相干暗光伏孤子进行了实验研究。在l i n b 0 3 ：f e 晶体中观 察到了部分空间非相干光形成的一维暗光伏孤子，并由此暗光伏孤子在该晶体中 诱导出一维波导。这一实验证明了用低能量非相干光束控制转换高能量相干光束 的可能性。 关键词：光生伏打孤子；背景光；自散焦和自聚焦；载流子竞争模型；非相干光 i i t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fp h o t o v o l t a i c s p a t i a ls o l i t o n s a b s t r a c t t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c hw e r ed o n ei nt h i st h e s i sa b o u t p h o t o r e f r a c t i v es p a t i a ls o l i t o n s ，e s p e c i a l l yp h o t o v o l t a i cs o l i t o n s f i r s t l y , b a s e do nt h e p h y s i c a lp r o c e s s o f p h o t o r e f r a c t i v e e f f e c ta n ds e l f - t r a p p i n gm e c h a n i s mo f p h o t o r e f r a c t i v es p a t i a ls o l i t o n s ，t h e r e l a t e ds p a c ec h a r g ef i e l da n dt h ee v o l u t i o n e q u a t i o n o fp h o t o v o l t a i c s p a t i a l s o l i t o n sw i t h o u tb a c k g r o u n di l l u m i n a t i o n 肺m k u k h t a r e v v i n e s t s k i im o d e la r ed e r i v e dd i r e c t l yf r o mt h ed y n a m i c se q u a t i o n so ft h e p h o t o r e f r c t i v ee f f e c t m e a n w h i l e ，t h e s o l u t i o n sf o rb o t hb r i g h ta n dd a r ks p a t i a l s o l i t o n sw e r ea c h i e v e du n d e ra p p r o p r i a t ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n s b a s e do nt h ep r e v i o u s l yo b t a i n e dt h e o r y , t h ei n f l u e n c eo fs p e c i f i c a l l ya d d e d b a c k g r o u n di l l u m i n a t i o no nt h ef o r m i n g p r o c e s so fp h o t o v o l t a i cs o l i t o n sw a sa n a l y z e d d e l i b e r a t e l y ，w h i c hb r o u g h ti nt h ec o n c r e t ec o n d i t i o n sf o r t h ef o r m a t i o n o fb o t hb r i g h t p h o t o v o l t a i cs p a t i a ls o l i t o n sa n dd a r ko n e i np h o t o r e f r a c t i v ec r y s t a lw i t ha n 0 a n dw h a t sm o r e ，f o rw h a ti st oo u rk n o w l e d g et h ef i r s tt i m e ，t h et r a n s i t i o n f r o m s e l f - d e f o c u s i n g t o s e l f - f o c u s i n g c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e r e b yt h eu l t i m a t e f o r m a t i o no fb r i g h tp h o t o v o l t a i cs o l i t o n sw e r ee x p e r i m e n t a l l yo b s e r v e di nl i t h i u m n i o b a t ec r y s t a lw i t hn e g a t i v er e f r a c t i v i t yc h a n g e ( a n 0 ) a n dw h a ti sw o r t h s p e c i f i c a l l yn o t i n gi st h a t ，o nt h eb a s i so f t h ep h y s i c a lm e a n i n go fg l a s sc o n s t a n tu p o n p h o t o v o l t a i ce f f e c t ，at h e o r e t i c a lm o d e lt h a td e m o n s t r a t e sc l e a r l yt h ee x i s t e n c eo ft h e c a r r i e r sc o m p e t i t i o ne f f e c ti np h o t o v o l t a i cs o l i t o n sf o r m i n gp r o c e s sw a se s t a b l i s h e d a sar e s u l t ，t h ep r o f o u n de f f e c to fb a c k g r o u n di l l u m i n a t i o no nm u t u a lt r a n s i t i o n b e t w e e ns e l f - d e f o c u s i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n ds e l f - f o c u s i n go n ew a sd i s c u s s e d ，w h i c h b r o u g h to u tt h es a m e r e s u l ta se v e ro b t a i n e d s o ，t h ei n t r i n s i cp h y s i c a lm e c h a n i s mo f t h er e f e r e n c e dc h a r a c t e r i s t i c st r a n s i t i o nw a si l l u s t r a t e de x p l i c i t l y w h a tm a k e sm yt h e s i sr o u n d e di sa sf o l l o w s ：o n e d i m e n s i o n a ld a r kp h o t o v o l t a i c s o l i t o mw a sf o r m e di nl i n 0 3 ：f ep h o t o r e f r a c t i v ec r y s t a lb yl i g h tb e a m sw i t h i i i p a r t i a l l ys p a t i a ln o n c o h e r e n c e ，a n dc o n s e q u e n t l yt h eo n e - d i m e n s i o n a lw a v e g u i d e si n t h ec r y s t a lw a sa v a i l a b l e t h ee x p e r i m e n t a lp h e n o m e n o np r o v e st h ep o s s i b i l i t yo f c o n t r o l l i n ga n ds w i t c h i n gh i g h - - p o w e rl a s e rb e a m sw i t hl o w - p o w e ri n c o h e r e n tl i g h t s o u r c e s p h o t o v o l t a i cs o l i t o n s ；b a c k g r o u n di l l u m i n a t i o n ；s e l f - d e f o c u s i n ga n ds e l f - f o c u s i n g ； c a r r i e r sc o m p e t i t i o nm o d e l ；n o n c o h e r e n tb e a m s i v 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。 本人允许论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研 究所等机构将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库或其它 相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：座韭 指导教师签名：j 丝! 整垒：2 渤9 年月oe t 二印8 年月多日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：尿软兄 a 毗年石月o e l 1 1引言 第一章绪论 孤子现象的最早发现及科学记载可追溯到1 8 3 4 年一名英国科学家s c o t t r u s s e l l 对著名的平移波的观察。引用他本人的描述“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，我正在观察有两匹马拉着的一只 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 变其形状也不减小其速度，我骑马跟踪并且追上了它，它仍以每小时大约8 至9 英里的速度滚滚向前，并保持它原来的1 1 5 英尺高、3 0 英尺长的外形，水波高 度渐渐减小，追逐了1 2 英里之后，它消失在河道的拐弯处。这就是在1 8 3 4 年 8 月间我第一次偶然见到的奇妙而又美丽的景象。我把这种现象称为平移波。 r u s s e l l 认为他所观察到的这个奇特的水峰是流体运动的一个稳定解，并称之为 “孤立波( s o l i t a r y w a v e ) 。但是，当时r u s s e l l 未能成功地证明他的论断，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 名的数学家k o r t e w e g 和他的学生d ev r i e s 研究了浅水波的运动，建立了著名的 k d v 方程，并且给出了方程的孤立波解，从而解释了r u s s e l l 观察到的现象，证 明了孤立波的存在【1 。3 1 。1 9 6 5 年，美国著名科学家、美国科学院院士k x u s k a l 和物 理学家z a b u s k y l 4 利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不但保持各自的波形不变，而且也满足能量和动量守 恒。由于孤立波的行为类似与粒子，因此k r u s k a l 和z a b u s k y 将其命名为“孤立 子”或简称为“孤子( s o l i t i o n ) ”。孤子概念被提出后，孤子理论及应用研究得 到了迅猛发展，掀起了一场世界范围内的研究热潮。目前，孤子概念及理论已被 广泛应用于物理学、天文学及生物学等各学科中。不仅在流体力学、等离子体物 理、基本粒子物理与场论等领域孤子的研究不断深入，而且在凝聚态物理、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 0 世纪6 0 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- 1 7 新兴学科的发展一非线性光学。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，其中有关光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，许多理论已日趋成熟。光孤子的概念是由h a s e g a w a 和 t a p p e r t 5 】于1 9 7 3 年首次提出的，他们预言当光纤的的线性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 间轴传播时宽度保持不变，因此被称为时间光孤子。1 9 8 0 年，m o l l e n a u e r 等人【叼 首次在实验上观察到了时间光孤子。目前，对时间光孤子的研究已日趋完善，正 向实用化方向发展。其研究过程大致可分为四个阶段：1 9 7 3 1 9 8 0 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；1 9 8 0 , - - 1 9 8 5 年以通 信应用研究为明确目标，着重研究传输理论能量补偿放大等问题；1 9 8 5 1 9 8 8 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中；1 9 8 9 年以后进入 理论与实践纵深发展时期1 7 一9 1 。 空间光孤子是指当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，在介质内无衍射的向前传播的光束。空间孤子分为亮空间孤子、 暗空间孤子和灰空间孤子三类。亮空间孤子的光场能量主要集中在光束横断面中 心附近的狭窄区域内，而远离中心处光强为零：暗空间孤子相当于在均匀背景光 中嵌入一个暗缺，光束断面中心处光强最小且为零，而远离中心处光强趋于一稳 定值；灰空间孤子也相当于在均匀背景光中嵌入一个暗缺，光束横断面中心处光 强最小但不为零，而远离光束中心处光强亦趋于定值。空间光孤子最初是在k e r r 介质或类k e r r 介质中产生的，在k e r r 介质中，折射率改变是正比于光束入射光 强，形成空间孤子所要求的功率密度很高( m w c m 2 量级) ，这就限制了它的实 际应用。最近几年来，光折变介质中的空间光孤子引起了人们的广泛注意，在光 学界掀起了一场光折变空间光孤子的研究高潮【1 0 l 。光折变空间孤子是指在光折 变材料中无衍射地向前传播的光束。其产生过可概括如下：在光的照射下光折变 材料内部的杂质、空位或缺陷可被激发出自由电荷，这些自由电荷经迁移离开光 照区而定居于暗光区，这样便在材料中形成了与光强空间分布相对应的空间电荷 分布。这些空间电荷将在材料中产生空间电荷场，空间电荷场再通过线性电光效 应( p o c k e l se f f e c t ) 使材料的折射率发生相应的变化，在介质中形成有效的透镜 2 或波导，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作用，当这种 空间约束作用与光束的衍射发散作用相互平衡时，入射光束便会在材料中形成空 间孤子。光折变空间孤子较之克尔介质中的孤子有许多优点：( 1 ) 克尔孤子形成 的机制是强光作用下介质的三阶非线性效应，需要在很高入射光强下( m w e m 2 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的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( m w 甚 至量级) 就可获得很大的折射率改变( ，l 1 0 一1 0 一) ，从而能够很方便 地形成空间光孤子。( 2 ) 光折变空间孤子写入的波导具有一定的暗存储时间 f = e o 占仃d ，因而其能长期存储于介质中；k e r r 介质是瞬态响应，光关闭后波导 消失，只能实时导向光。( 3 ) 一束弱的写入光束能够导向和控制一束较长波长、 对光折变不敏感的强探测光束。( 4 ) 在材料中，允许两个横向维的空间孤子存在， 因而可以形成( 2 + 1 ) 维波导，而k e r r 空间孤子则只能在一个横向尺度内保持稳 定。( 5 ) 光折变材料是饱和非线性材料，因而光折变空间孤子是稳定的。 1 2 光折变空间孤子国内外研究进展 1 2 1准稳态( 瞬态) 孤子 它要求外加电场或内电场( 如光生伏打场) ，且只能在一定的时间窗口( 类 透镜形成之后和外电场完全被屏蔽之前) 内才能观察到，并且达到稳态时消失。 孤子的宽度只依赖于输入光束的尺寸，而不依赖于外加电场的数值和入射光束的 绝对光强，所以它可以在形入射功率下形成，并在两个横向维被陷获。1 9 9 2 年，s e g e v 和c r o s i g n a n i 等人【1 1 - 1 2 1 最先从理论上分析了在一定外加电场的作用下， 光折变材料中光束自陷的可能性，预言了光折变空间光孤子的存在。1 9 9 3 年， d u r e e 等人【1 3 】首次在掺杂s b n 晶体中观察到了有外加电压的光折变晶体中的光 孤子，因为这种孤子只存在于一定的时间窗口内，因而它被称为准稳态( 瞬态) 孤子。19 9 4 年，s e g e v 等人【1 4 】给出瞬态孤子稳定性的理论分析，并且通过实验证 明了在小的微扰范围内瞬态孤子是稳定的；而当折射率扰动区域与孤子的横向空 间尺度可比拟时，孤子将瓦解。1 9 9 5 年，d u r e e 等在掺铑铌酸锂光折变晶体中首 次观察到暂态暗空间光孤子及涡旋孤子【1 5 1 。m o r i n 等人【16 】通过实验证明，由于瞬 态光折变空间孤子可导致光折变材料内部建立空间电荷场，引起折射率扰动，因 此可在块状光折变材料中形成波导。虽然这种光致波导是由非常弱( 微瓦量级) 的孤子光束产生，但它却可以导引或控制波长大于介质光敏区波长的强光( 瓦量 级) 光束。当撤掉孤子光束时，这种光致波导可在暗处或在导引长波长光束的情 况下，长时间保存。1 9 9 6 年，f r e s s e n g e a s 等利用双向带输运模型理论对光折变 空间明孤子的时间特性进行了详细的理论分析，给出了光折变介质内部的空间电 荷场随时间变化的情况，研究了在刚加上外电压到最后形成稳态孤子这个时间段 内准稳态孤子的演化，并在b i l 2 t i 0 2 0 晶体中做了实验验证【1 7 1 。1 9 9 8 年他们又报 道了一维准稳态明孤子的产生机制【1 8 1 ，1 9 9 9 年，他们小组又利用k u k h t a r e v 带输 运模型研究了一维情况下的空间电荷场演化的时变微分方程以及孤子的非线性 传播方程【1 9 1 。2 0 0 0 年，佘卫龙从实验上得到了不需要外加电场的全光准稳态孤 子 2 0 l ，2 0 0 1 年，他又从实验上观察到一种新的全光双稳态孤子【2 1 】，这种新的准 稳态孤子形成不需要夕1 - a n 直流电场，但需要一束与信号光不相交叠的诱导光束， 和前面准稳态孤子性质不同的是它的形成依赖于信号光的光强。这种孤子形成过 程具有全光开关的功能。由于准稳态光折变空间孤子在材料中存在时间很短，因 此它的研究和应用范围受到了限制，有关它的理论研究尚未成熟，有待于进一步 研究。 1 2 2屏蔽孤子 1 9 9 4 年，s e g e v 等【2 2 1 从理论上预言了第二种光折变空间孤子一屏蔽孤子的存 在。屏蔽型空间光孤子是一种稳态孤子，它的产生也需要有外加电场。当一束激 光纵向射入加有横向电压的光折变材料时，在材料内部光照区将产生光激发电 荷，这些电荷经迁移并最终被俘获，这样在材料内部就会产生不均匀的空间屏蔽 电场，屏蔽掉一部分外电场，使材料内部的电场发生非均匀分布。电场通过线性 电光效应使材料的折射率发生变化，由此在材料中形成一个梯度波导，使光束自 陷，进而形成空间孤子。1 9 9 5 年，c h r i s t o d o u l i d e s 和c a r a v a l h o 2 3 从描述光折变 效应的基本动力学方程一k u k h t a r e v 方程【z 4 】出发，推导出了有外加电场的光折变 晶体中空间孤子演化方程，给出了方程的数值积分形式的稳态亮、暗及灰空间孤 4 子解。理论分析表明，对于同一块晶体，随着外加电场的极性不同，晶体会表现 出自聚焦或者自散焦特性。因此，在同一块晶体中，在施加不同极性的外电场情 况下，晶体内部可以形成明、暗或灰孤子。1 9 9 5 年，s h i h 等【2 5 】在加有5 8 k v c 聊 电场的s b n 光折变晶体中观察到了由波长为5 1 4 5 n m 的时激光形成的横向宽 度为9 6 , t a n 的稳态二维亮空间光孤子。这是人们首次在实验中观察到的屏蔽孤 子。s r s i n g h 和d n c h r i s t o d o u l i d e s 利用数值模拟方法研究了稳态情况下有外加 电场的光折变晶体中的屏蔽明孤子的动态演化过程f 2 6 l 。结果表明屏蔽明孤子在 晶体中能够稳定传播，且能够抵抗较小的微扰。m i c a r v a l h o 等【2 7 】利用微扰分析 法研究了由光折变介质内电荷扩散效应引起的亮屏蔽孤子的自弯曲过程，数值模 拟结果发现亮孤子光束在传播过程中其中心将沿抛物线向前行进，而中心波矢与 传播轴的夹角大小将随传播距离的增加而线性增加。很多人通过实验也相继得到 了一维或二维的屏蔽明孤子或者暗孤子【2 & 。1 1 。 1 2 3 光生伏打孤子 光伏孤子是指在块状光折变材料的光生伏打内电场的作用下形成的一种空 间孤子，它的产生不需要外加电场。当一束光照射光折变材料时，材料内部会产 生很强的光生伏打内电场，该电场通过线性电光效应使光照区折射率发生变化， 产生类透镜效应，使光束发生自陷，进而形成空间孤子。1 9 9 4 年，gc v a l l e y 等【3 2 】推导出了光伏光折变介质中的光束传播方程，给出了方程的亮、暗孤子解， 预言了光伏孤子的存在。1 9 9 5 年，m t a y a 等【3 3 】在l i n b 0 3 晶体中观察到了波长 为4 8 8 n m 、强度为1 0 w c m 2 量级、宽度约为2 0 u n 的暗光伏孤子。后来，m s e g e v 等驯分析了闭路和开路条件下光伏介质中的一维明暗空间孤子，讨论了利用外 电阻来控制闭路光伏亮暗孤子转换的可能性。1 9 9 9 年，佘卫龙等人首次观察到 二维光伏亮孤子【3 5 1 。2 0 0 0 年，凌振芳等【3 6 1 从理论上分析了光生伏打自散焦光折 变介质中单光束的三维传播行为，指出在适当近似条件下，光伏光折变非线性可 以维持圆对称的涡旋孤子。我们知道光伏亮暗孤子的形成和材料内部空间电荷场 线性电光效应引起的折射率变化的正负有密切关系，如果折射率改变为正，在材 料中形成的就是光伏亮孤子，反之，则形成的是光伏暗孤子，这已经通过实验验 j , j 正 3 3 , 3 5 1 。1 9 9 8 年，c a n a s t a s s i o u 等【3 7 】通过理论和实验证明，利用外加均匀背景 光可实现光伏介质由自散焦非线性向自聚焦非线性转换。这一结论预示l i n b 0 3 光伏晶体中也可以形成亮光伏孤子。2 0 0 1 年，佘卫龙等从实验发现，当采用不 同波长的激光作为信号光和背景光，且后者的光伏效应比前者强时，在折射率改 变为正的光折变晶体中，也可以形成光伏暗孤子【3 8 1 。最近，我们利用加均匀背 景光的方法在折射率改变为负的l i n b 0 3 晶体中首次观察到了光伏亮孤子的形 成。 1 2 4 光折变空间光孤子之间的相互作用 由于光孤子之间的相互作用与粒子之间的相互作用非常相似，因此在光折变 空间孤子的所有特性中最令人感兴趣的就是光孤子之间的相互作用或称孤子碰 撞。光折变空间孤子之间的相互作用分为相干相互作用和非相干相互作用。相干 相互作用发生在瞬时非线性介质中，介质对光束的干涉场发生非线性响应；而非 相干相互作用发生在响应时间远远慢于光束之间相对相位变化时间的非线性介 质中，此时介质对光束的时间平均光强发生响应，而与光束之间的相对相位无关。 根据几何光学知识可知，光束在介质中传播时将向折射率大的区域偏转。对于相 干相互作用，当两孤子光束的相位相同时，两光束交叠区的光强将会增加，使它 们之间介质( 自聚焦介质) 的折射率增大，两孤子光束将因此向中心偏移，表现 出彼此相互吸引。当两孤子光束的相位相反时，它们将在交叠区干涉相消，进而 使两孤子光束之间介质的折射率降低，因此孤子将互相排斥。在非相干相互作用 过程中，介质只对光强的时间平均值发生响应，不论孤子之间的相对相位如何， 孤子交叠区的光强都将增加，孤子之间介质( 自聚焦介质) 的折射率都将增大， 因此孤子表现为相互吸引。1 9 9 6 年，c h r i s t o d o u l i d e s 等在理论上预言了非相干孤 子对【3 9 1 ，同年，c h e n 和s e g e v 等相继报道了明明非相干屏蔽孤子对【4 0 】以及明暗 非相干屏蔽孤子对1 4 1 1 ，他们在明暗孤子对的实验中还发现存在着高阶屏蔽孤子。 1 9 9 6 年，s h i h 等报道了非相干二维屏蔽明孤子相互碰撞的实验观察【4 2 】，1 9 9 7 年 k r o l i k o w s k i 等则报道了相干光屏蔽孤子碰撞的实验结果 4 3 1 ，g a t c i a - q u i t i n o 等研 究了两束相干且平行的h e n e 光的相互作用m 】，证明这种相互作用可以是吸引 或排斥，取决于两束光的初相位。s h i h 等人在实验中发现非相干的二维屏蔽孤子 相互作用可以表现出螺旋前进的行为【4 5 j 。1 9 9 8 年k r o l i k o w s k i 等观察到非相干屏 蔽孤子的相互作用也表现出吸引和相互排斥行为1 4 2 1 。1 9 9 9 年，k i p 等则在平面 6 波导上研究了屏蔽孤子的相互作用 4 6 1 。这一年，s t e g e m a n 等在s c i e n c e 上发表了 孤子相互作用的研究进展总结【4 7 】。2 0 0 0 年，k i v s h a r 等发表了暗涡旋孤子与暗 条状孤子相互作用的实验结果【4 8 j 。d e l r e 等则报道了圆形明孤子与条状明孤子相 互作用的实验结果【4 9 】。同年，c o s k u m 等在理论上证明了个非相干的暗孤子与 一束部分相干的亮光束相互作用可以使亮光束的强度分布变得尖锐【则。 总而言之，光折变空间光孤子对入射光光强没有明显的阈值要求，在微瓦的 入射功率下即可产生，这使它在很宽的入射功率范围内均可得以应用。在光折变 材料中形成空间光孤子的同时，便在材料中形成并存储了波导，该波导可以无损 耗地传输光束。当多个光折变空间孤子相遇碰撞时，还可以在光折变材料中形成 并存储多端口波导结。光折变空间光孤子的这些性质可用于集成光学元件之间的 联接及信息传递等方面，利用光折变非相干孤子形成的波导，还可以实现用低功 率非相干光对高功率相干激光的控制。另外，通过改变外加电场的极性、晶体取 向或入射光的偏振方向，可以实现光折变空间亮、暗孤子的相互转换，利用这个 性质可制成光学开关、光学双稳器及光学逻辑门等器件。由此可见，光折变空间 光孤子在光学信息处理、集成光学、光学双稳、光存储、光互联及光计算等许多 方面具有广阔的潜在应用前景，对光折变空间光孤子的研究是一项既有理论价值 又有实际意义的工作。 7 参考文献 【l 】郭柏灵，庞小峰孤立子北京：科学出版社，1 9 8 6 ，1 - 3 【2 】谷超豪，郭柏灵，李神等孤立子理论与应用杭州：浙江科学技术出版社， 1 9 9 0 ，1 - 5 【3 陈陆君，梁昌洪孤立子理论及应用西安：西安电子科技大学出版社，1 9 9 7 ， 3 - 5 4 】n j z a b u s k y ，m d k r u s k a lp h y s r e v l e t t 19 6 5 ，15 ( 6 ) ：2 4 0 2 4 3 5 a h a s e g a w a ，et a p p e r t a p p l p h y s l e t t 1 9 7 3 ，2 3 ( 3 ) ：1 4 2 1 4 4 6 】l em o l l e n a u e r ，r h s t o l e n ，j pg o r d o n p h y s r e v l e t t 。1 9 8 0 ，4 5 ( 1 3 ) ： 1 0 9 5 - 1 0 9 8 【7 l em o l l e n a u e r ，r h s t o l e n o p t l e t t 1 9 8 4 ，9 ( 1 ) ：1 3 - 1 5 【8 l em o l l e n a u e r ，b m n y m a n ，m j n e u b e l t ，e ta 1 e l e c t r o n l e t t 1 9 9 1 ，2 7 ( 2 ) ： 1 7 8 1 7 9 【9 】k s m i t h ，j e g r e e r ，r w y a r ，e ta 1 e l e c t r o n l e t t 19 91 ，2 7 ( 3 ) ：2 4 4 , - - 2 4 6 i o m s e g e v ，gs t e g e m a n p h y s i c st o d a y ，1 9 9 8 ，5 1 ( 8 ) ：4 2 - 4 8 1 1 】m s e g e v ，b c r o s i g n a n i ，a y a f i v ，e ta 1 p h y r e v l e t t 1 9 9 2 ，6 8 ( 7 ) ：9 2 3 9 2 6 1 2 】b c r o s i g n a n i ，m s e g e v ，d e n g i n ，e ta 1 j o p t s o c a m b 1 9 9 3 ， 1 0 ( 3 ) ：4 4 6 - 4 5 3 1 3 】gc d u r e e ，j l s h u l t z ，gj s a l a m o ，e ta 1 p h y r e v l e t t 1 9 9 3 ，7 1 ( 4 ) ： 5 3 3 5 3 6 【1 4 】m s e g e v ，b c r o s i g n a n i ，p d i p o r t o ，e ta 1 o p t l e t t 1 9 9 4 ，1 9 ( 1 7 ) ：1 2 9 6 - - 1 2 9 8 【1 5 】gc d u r e e ，m m o r i n ，gs a l a m o ，e ta 1 d a r kp h o t o r e f r a c t i v es p a t i a ls o l i t o n s a n dp h o t o r e f r a c t i v ev o r t e xs o l i t o n s p h y s r e v l e t t 1 9 9 5 ，7 4 ( 1 1 ) ：1 9 7 8 - 1 9 8 1 【16 m m o r i n ，gd u r e e ，gs a l a m o ，e ta 1 w a v e g u i d e sf o r m e db yq u s i - s t e a d y p h o t o r e f r a c t i v es p a t i a ls o l i t i o n o p t l e t t 19 9 5 ，2 0 ( 2 0 ) ：2 0 6 6 - - 2 0 6 8 【17 】n f r e s s e n g e a s ，j m a u f o ya n dgk u g e l t e m p o r a lb e h a v i o ro fb i d i m e n s i o n a l p h o t o r e f i - a c t i v eb r i g h ts p a t i a ls o l i t o n s p h y s r e v e 19 9 6 ，5 4 ( 6 ) ：6 8 6 6 - - , 6 8 7 5 【l8 n f r e s s e n g e a s ，d w o l f e r b e r g e r , j m a u f o y , e ta 1 b u i l du pm e c h a n i s m so f ( 1 + 1 ) 一d i m e n s i o n a l p h o t o r e f i a c t i v e b r i g h ts p a t i a lq u a s i s t e a d y - s t a t e a n d s c r e e n i n gs o l i t o n s o p t c o m m 19 9 8 ，( 14 5 ) ：3 9 3 - 4 0 0 r 【19 】j m a u f o y , n f r e s s e n g e a s ，d w o l f e r b e r g e r , e ta 1 s i m u l a t i o no ft h et e m p o r a l b e h a v i o ro fs o l i t o np r o p a g a t i o ni np h o t o r e f r a c t i v em e d i a p h y s r e v e 19 9 9 ， 5 9 ( 5 ) ：6 1 1 6 6 1 2 1 2 0 】w l s h e ，k k l e ea n dw k l e e a l lo p t i c a lq u a s i s t e a d y s t a t e p h o t o r e f r a c t i v es p a t i a ls o l i t o n s p h y s r e v l e t t 2 0 0 0 ，8 5 ( 1 2 ) ：2 4 9 8 - 2 5 0 1 2 1 】佘卫龙，李荣基全光双准稳态空间孤子物理学报2 0 0 1 ，5 0 ( 5 ) ：8 8 6 - - 8 9 1 【2 2 m s e g e v ，gc v a l l e y , b c r o s i g n a n ip d ip o r t o e ta 1 s t e a d y - s t a t es p a t i a l s c r e e n i n gs o l i t o n si np h o t o r e t r a c t i v em a t e r i a l sw i t he x t e r n a la p p l i e df i e l d p h y s r e v l e t t 1 9 9 4 ，7 3 ( 2 4 ) ：3 2 1 l 3 2 1 4 【2 3 】d n c h r i s t o d o u l i d e s ，m i c a r v m h o j o p t s o c a m b 19 9 5 ， 1 2 ( 9 ) ：1 6 2 8 - 1 6 3 3 【2 4 】k vk u k h t a r e v , vb m a r k o v , s go d u l o v , e ta 1 f e r r o e l e c t r i c s ，19 9 3 ， 2 2 ：9 4 9 9 6 0 2 5 】m s h i h ，m s e g e v , gc v a l l e y , e ta 1 o b s e r v a t i o no ft w o d i m e n s i o n a l s t e a d y - s t a t e p h o t o r e f r a c t i v e s c r e e n i n g s o l i t o n s e l e c t r o n l e t t 19 9 5 ， 3 1 ( 3 0 ) ：8 2 6 - , - 8 2 7 【2 6 s r s i n g l y , d n c h f i s t o d o u l i d e s e v o l u t i o no fs p a t i ms o l i t o n si nb i a s e d p h o t o r e f r a c t i v em e d i a o p t c o m m u n 19 9 5 ，1 l 8 ( 5 6 ) ：5 6 9 5 7 6 【2 7 】m i c a r v a l h o ，s d s i n g h ，d n c h r i s t o d o u l i d e s s e l f - d e f l e c t i o no f s t e a d y - s t a t eb r i g h ts p a t i a ls o l i t o n si nb i a s e dp h o t o r e f r a c t i v ec r y s t a l s o p t i c a l c o m m u n 1 9 9 5 ，1 2 0 ( 5 6 ) ：3 1 1 3 1 5 2 8 m s h i h ，p l e a c h , m s e g e v ，e ta 1 t w o - d i m e n s i o n a ls t e a d y - s t a t e p h o t o r e f r a c t i v es c r e e n i n gs o l i t o n s o p t l c t t 19 9 6 ，21 ( 5 ) ：3 2 4 3 2 6 【2 9 z c h e n ，m m i t c h e l l ，m s h i h ，e ta 1 s t e a y - s t a t ed a r kp h o t o r e f r a c t i v es c r e e n i n g s o l i t o n s o p t l e t t 1 9 9 6 ，2 1 ( 9 ) ：6 2 9 - 6 3 1 3 0 k k o s ，h m e n g ，gs a l a m o ，e t a 1 o n e - d i m e n s i o n a l s t e a d y s t a t e p h o t o r e f r a c t i v es c r e e n i n gs o l i t o n s p h y s