（光学专业论文）光折变光学空间孤子的研究.pdf

论文题目： 专业： 光折变光学空间孤子的研究 硕( 博) 士生： 指导教师： 光学 博士 余卫龙教授 摘要 光学空间孤子是一个有趣的非线性现象，它是指光束保持不衍射 的一种传播状态。光折变光学空间孤子的研究是非线性光学领域的研 究热点与前沿之一。由于它可以用很弱的光功率( 微瓦至毫瓦) 导致明 显的非线性效应，并且具有光波导和光开关的应用潜力，同时其非线 性行为可以类l l 蛩j 其他包括固体物理，生物学等领域的非线性行为， 因此近十几年来吸引了人们广泛的研究兴趣。本论文系统地研究了光 折变光伏孤子的形成机制和控制机制。并提出了一种新类型的光学空 间孤子一光致异构孤子。 提出了复色光光伏空间孤子这类孤子。分析了这种孤子的形成机 制，从理论上和实验上证明了这种孤子的存在。同时给出了这种孤子 形成与否的一个判据。将复色光的形成机制研究扩展到光折变聚合物 材料中，证明在光折变聚合物中也可以形成复色光孤子，并且具有一 些新的特性。 复色光形成的孤子可以看成为多个频率成分的光分量互相耦合， 从而形成多分量( 矢量) 孤子。对应于这种频率的多分量孤子，本论 文进一步分析了具有多个( 横向) 空间频率的光在光伏晶体中所形成 的孤子。这种孤子就是部分空i 司z l i e s h 干光光伏空f - - j 孤子。理论和实验 研究表明在适当的条件下，部分空间q k $ 1 1 干光光伏空间孤子可以在光 t 伏光折变晶体中形成。 除了研究孤子的形成机制，本论文还研究了孤子的控制机制。研 究表明外加的背景光的光伏系数可以影响光伏晶体中光伏孤子和屏 蔽一光伏的孤子形成：晶体外电路的外加电阻也可以单独影响晶体中 孤子的形成与否和宽度。 光学空间孤子这种光学的非线性现象不仅仅存在于光折变非线 性领域中。作为开发形成光学空间孤子的新机制，本论文提出了利，e j 聚合物材料中的光致异构非线性效应也可以形成光学空问孤子，并对 其进行了系统的研究。一方面从理论上提出了不同偏振状态的光在不 需其他光辅助的情况下可以形成自发的孤子，且这种自发孤子是暗 的，并对这种孤子的存在曲线，特性等作了研究：另一方面也发现如 果外加一个背景光，那么背景光与孤子光束的不同偏振组合及不同波 长组合可以大大丰富这类孤子的特性，可以通过改变偏振的组合或者 选择不同的波长而实现信号光白散焦和自聚焦的转换。实验上，本论 文在聚合物块状材料中实现由线偏振光和圆偏振形成的自发孤子，证 实了有关的理论分析，其中由圆偏振光形成的白发孤子是一个非常有 趣的现象，因为这在光折变非线性领域是不可能实现的。 关键词：非线性光学，光学空问孤子，光折变，光致异构，聚合物 复色光孤子，孤子控制 t l t i e ： m a j o r ： n t i m e ： s u p e r v i s o r ： p h o t o r e f r a c t i v eo p t i c a ls p a t i a ls o l i t o n o p t i c s w a n gx i a os h e n g p r o s h ew e il o n g a b s t r a c t o p t i c a ls p a t i a ls o l i t o n ，as e l f - t r a p p e db e a m t h a te x i s t sb yv i r t u eo ft h e b a l a n c eb e t w e e nd i f f r a c t i o na n dn o n l i n e a r i t y ，i sav e r yi n t e r e s t i n g p h e n o m e n o ni nn o n l i n e a ro p t i c s i nt h er e c e n td e c a d e ，p h o t o r e f r a c t i v e o p t i c a ls p a t i a ls o l i t o nh a sb e e no n eo f t h eh o r e s tt o p i c si nt h i sa r e a i tc a n b ef o r m e da tav e r yl o wp o w e rl e v e l ( m i c r o w a t tt om i l l i w a t t ) a n dh a s p o t e n t i a la p p l i c a t i o n i n o p t i c a l l y i n d u c e d w a v e g u i d e a n d o p t i c a l s w i t c h i n g b e s i d e s ，i t sn o n l i n e a rb e h a v i o rh a sb e e np r o v e dt o b es i m i l a r t ot h o s eo fs o l i t a r yw a v e si no t h e rf i e l d ss u c ha ss o l i ds t a t ep h y s i c s ， b i o l o g ya n ds oo n i nt h i st h e s i s ，w es t u d yt h em e c h a n i s m so fc o n t r o l l i n g a n df o r m i n gt h ep h o t o r e f r a c t i v ep h o t o v o l t a i co p t i c a ls p a t i a ls o l i t o n s i n a d d i t i o n ，w ep r e s e n tan e wt y p eo fo p t i c a ls p a t i a ls o l i t o n ss u p p o r t e db y t h ei s o m e r i z a t i o nn o n l i n e a r i t yi nap o l y m e r w ea n a l y z et h ee x i s t e n c ea n df o r i n a t i o nm e c h a n i s mo fp o l y c h r o m a t i c p h o t o v o l t a i cs p a t i a ls o l i t o n s ac r i t e r i o ni sp r e s e n t e dt oj u d g ew h a tk i n d o fp o l y c h r o m a t i cp h o t o v o l t a i cs p a t i a ls o l i t o n sw o u l de x i s t b e s i d e s ，w e s h o wt h a t p o l y c h r o m a t i cs p a t i a l s o l i t o n sc a ne x i s ti np h o t o r e f r a c t i v e p o l y m e r s a n ds o m en o v e lp r o p e r t i e so ft h e s es o l i t o n sa r ep r e s e n t e d p o l y c h r o m a t i cp h o t o v o l t a i cs p a t i a ls o l i t o n sc a nb er e g a r d e da sak i n d o fv e c t o rs o l i t o n sw i t hv a r i o u sf r e q u e n c yc o m p o n e n t s ，w h i l ep a r t i a l l y s p a t i a l l y i n c o h e r e n ts p a t i a ls o l i t o n sc a nb er e g a r d e da sak i n do f v e c t o r l i t s o l i t o n sw i t hv a r i o u ss p a t i a l f r e q u e n c yc o m p o n e n t s w e s h o wt h e e x i s t e n c eo fp a r t i a l l ys p a t i a l i n c o h e r e n ts p a t i a ls o l i t o n si np h o t o v o l t a i c c r y s t a lk n s b nt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y b e s i d e s w ef u r t h e ri n v e s t i g a t e t h e c o n t r o l l i n g m e c h a n i s mo f d h o t o v o i t a i cs o l i t i o n o u rr e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tn o to n l yt h eg l a s s c o e m c i e n tb u ta l s ot h ee x t e m a lr e s i s t a n c eh a si m p o r t a n te f f e c to nt h e f o r m a t i o na n dt h ef w h m o f p h o t o v o l t a i c s o l i t o n s o r s c r e e n i n g - p h o t o v o l t a i cs o l i t o n s 0 nt h eo t h e rh a n d ，w ep r e s e n tan e wt y p eo fs p a t i a ls o l i t o n ss u p p o r t e d b vt h ei s o m e r i z a t i o nn o n l i n e a r i t yi nt h ep o l y m e r t h i sk i n do fs o l i t o n sc a r l b ef o r m e ds p o n t a n e o u s l yo rw i t ht h ea i do fau n i f o r mb a c k g r o u n db e a m - t h es p o n t a n e o u ss o l i t o n s c a nb ef o r m e db y l i n e a r l yp o l a r i z e d o r c i r c u l a r l yp o l a r i z e dl i g h t b e a m s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wg o o d a g r e e m e n tw i t ht h et h e o r y i ts h o u l db en o t e dt h a tt h ea b i l i t yt os u p p o r t c i r c u l a r l yp o l a r i z e ds p o n t a n e o u ss p a t i a l s o l i t o n si so n eo ft h eu n i q u e p r o p e r t i e so f t h ei s o m e r i z a t i o nn o n l i n e a r i t y i na d d i t i o n ，w et h e o r e t i c a l l y i n v e s t i g a t e t h ee f f e c to ft h e p o l a r i z a t i o n s t a t e so ft h es i g n a la n d b a c k g r o u n db e a m so nt h ef o r m a t i o n o fs o l i t o n s i ti sf o u n dt h a tt h e c o n v e r s i o nb e t w e e ns 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 gc a nb er e a l i z e db y c h a n g i n gt h ep o l a r i z a t i o n s t a t e so rt h ew a v e l e n g t h so ft h es i g n a la n d b a c k g r o u n db e a m s k e yw o r d s ：n o n l i n e a ro p t i c s ，o p t i c a ls p a t i a ls o l i t o n ，p h o t o r e f r a c t i v e e f f e c t ，i s o m e r i z a t i o n ，a z o d y ec o n t a i n i n gp o l y m e r s ，p o l y c h r o m a t i c p h o t o v o l t a i cs p a t i a ls o l i t o n ，s o l i t o nc o n t r o l 第1 章前言 1 1 光折变光学空间孤子的介绍 广义的孤子是指非线性方程的特解。最先在流体力学领域被引进，后来被广 泛应用于各个领域，譬如聚合物链中的正反孤子解等。我们平常所说的孤子是狭 义的孤子，又叫孤立子或孤立波。它是指波保持其能量不扩散的一种传播行为， 当然它也是波的非线性传播方程的一个特解。所谓的波可以是水波也可以是光 波、声波等等。如果研究的对象是光波，我们称之为“光学孤子”。 光脉冲在线性介质中传播时会在时间上或空间上展宽。时间的展宽是因为脉 冲的色散，空间的展宽是因为光束的衍射。如果在非线性介质中传播的光脉冲， 其时间或空间上的展宽能够被介质的非线性效应所抵消，则可以相应的形成“光 学时间孤子”或“光学空问孤子”。用于形成光学空间孤子的非线性效应有很多， 如果这种非线性效应是光折变效应，我们就将这类孤子称为“光折变光学空间孤 子”。本论文主要研究的就是基于光折变非线性效应的光折变孤子和基于光致异 构非线性效应的光致异构孤子。 关于孤立波的首例科学报道正是在水波中产生的。1 8 3 4 年英国科学家s c o o t r u s s e l l 【l 】在运河中观察到一个水峰突起可以保持其轮廓在河中向前传播。这个 发现引起了科学家的广泛关注和兴趣。因为当时认为一个完整的水波应该是一部 分突起在水面上而一部分在水面之下。这种只有突起部分的水波是不是一种完整 的波呢? 为什么这种波传播时速度不变? 直到1 8 9 5 年才由k o r t e w e g 2 】2 提出著 名的k d v 方程给予了理论上的解释，这时孤立波才为学术界普遍接受并得到了 广泛的研究 3 】。 除了流体力学，孤子的研究领域不断得到拓展。例如聚合物中的孤子，粒子 物理和核物理中孤子的量子理论 4 】等等。值得一提的是，孤子被引入光学领 域后得到了蓬勃的发展，兴起了孤子光通讯的热潮。1 9 7 3 年h a s e g a w a 和t a p p e r t 5 ，6 】首次在理论上提出可以利用折射率与光强的非线性关系来抵消脉冲光传 播时出现的色散。1 9 8 0 年m o l l e n a u e r 7 】等人果然观察到了相应的现象。随后光 纤光孤子通讯的概念被明确地提出来，并促使了光孤子通讯的迅速发展 8 。对 应于时间孤子，空间孤子的研究由c h i a o 9 】9 等人首次提出，他们认为介质中的 非线性k e r r 效应可以抵消光束传播的衍射效应，从而形成光学空间孤子。九十 年代光折变孤子的提出兴起了光学空间孤子的研究热潮【1 0 2 l 】。特别是近年来 离散孤子的研究格外引人瞩目 2 2 2 6 。至今，光学空间孤子的研究还在蓬勃发 展。 人们为什么会对孤子现象感兴趣呢? 一方面，我们知道光在线性介质中的传 播有几种稳定的形式，譬如平面波，具有c o s i n e 和s i n e 形式的波，具有b e s s e l l 形式的波 2 7 2 9 ，x 波 3 0 等等。这些都是线性波动方程的解。一般称为“不 扩散波( n o n d i f f r a c t i o nw a v e 或n o n d i f f r a c t i o nb e a m ) ” 31 】。在这些稳定的解中， 虽然有象b e s s e l l 函数那样能量比较局域的情况，波的能量都是分布于整个无限 的空间。而不管从实际应用还是物理机制上来看，能否存在能量局域的稳定传播 的波，这都是一个有趣而有意义的问题。这或许就是当s c o o t r u s s e l l 发现孤立 水波能在运河中稳定传播之后，人们对这种现象如此着迷的原因之一。另一方面， 在光孤子的研究中，人们发现光的这种非线性行为与物理学的许多其他领域的非 线性现象和行为紧密相关。譬如玻色爱因斯坦凝聚 3 2 】、f e r m i p a s t a u l a m 问题 3 3 、原子点阵中的中子散射实验 3 4 等等。这样使得光孤子的研究不仅有助于 人们理解和掌握光与物质相互作尉的规律，同时研究的结果也可以类比到物理学 甚至其他学科( 譬如固体物理中的问题 3 5 ，3 6 、生物学方面的问题 3 7 ，3 8 】) 中的其他非线性行为。 光折变效应又称光致折射率改变效应，是指电光材料中的施丰或受丰( 般 由搀杂进材料的离子充当) 在光激发下产生可以自由移动的载流子，载流子在浓 度梯度下扩散、或在电场作用下漂移，或在光伏效应作用下做定向移动，迁移原 来的位置。这些自由载流子可以被材料中的陷阱俘获而停留下米。经过激发一迁 移一俘获一再激发的循环过程，迁移的电荷最终在暗区定居下来，从而形成与激 发光强相对应的电荷分布。电荷的空问分布产生空问电荷场，在没有空问反演对 称性的材料则可以通过线性电光效应( p o c k e l 效应) 产生折射率的空间分布。材 料中的空间电场可以很大( 十万伏特每厘米 3 9 ) ，巨大的空间电场使介质的晶 格发生畸变，从而可以产生大至l o 。 3 9 ，4 0 的折射率改变。光折变效应的另 一个特点是其非线性效应与光强的大小无关，它只与光强的分布有关，光强的大 小仅仅影响光折变过程的快慢。这也使得光折变效应成为有名的弱光非线性效 应。 光折变效应由贝尔实验室的a s k i n 4 1 等首先报道，当时他们认为这是一 种光损伤。c h e n 4 0 等人在分析光生载流子的迁移过程中，提出了载流子的 漂移模型，即自由电荷在电场的作用下产生迁移，他们认为这种“光损伤”可以 用来作为光存储。s t e a b l e r 4 2 等人则提出了载流子密度梯度引起的扩散迁移 机制，即由于载流子浓度不均导致高浓度区域的载流子向低浓度区域迁移。g l a s s 4 3 等人提出了另一种导致电荷迁移的效应一光伏效应。光伏效应是由于载流 子的势垒不对称导致的载流子迁移 4 4 4 6 。描述光折变效应的模型有所谓的带 输运模型，它的过程如上一段所述。它由k u k h t a r e v 4 7 于1 9 7 9 年总结得出， 是目前最常用的模型。还有另一种模型一跳跃模型 4 8 对稳态的光折变现象给 出了一致的分析和结果，但是它无法描述瞬态的过程。 a 从1 9 9 2 年s e g e v 等人首次在理沦上预言光折变光学窄间孤子 4 9 以来， 由于光折变孤子可以在很低的功率下形成( 微瓦至毫瓦 5 0 ) ，很短的响应时问 ( 最短可达到n s 数量级 5 1 ) ，可以形成稳定的一维和二维孤子等特点，以及 其在光学空间孤子全光开关 5 2 ，5 3 、光波导 5 4 5 9 等方面的潜在应用，光折 变空间孤子的研究掀起了光学空间孤子研究的新一轮热潮。在非线性光学介质 中，光强引起折射率变化是光与物质相互作用过程中发生的最普遍的现象之一。 光折变材料是一种重要的非线性介质，其光学非线性是由光激发载流子迁移，被 陷，空间电荷分离形成空间电荷场，经线性电光效应( p o c k e l 效应) 引起折射率 变化而表现出来的 6 0 。光折变材料一股具有各向异性，其对光场的响应是非 局域的。光折变材料同时又是电光材料，可以方便地通过外加电场改变其性能。 所以光折变材料及其非线性效应 6 1 备受人们的重视。所谓光折变型光学空间 孤子就是当光束在光折变介质中传播时，其光折变非线性效应完全补偿光束本身 的衍射效应时的一种传播状态。当光束形成空问孤子时，光束在传播过程中形状 保持不变。如果光强越大的地力折射率变化( a n ) 越大，则介质称自聚焦型介 质；如光强越大的地方门越小则称为白散焦型介质。当中心较亮而边缘较暗的 光束通过白聚焦介质时，如果折射率变化引起的白聚焦效应正好完全补偿其衍射 效应时，光束在传播过程中将在横向一个或两个维度上保持不变，形成空间亮孤 子。当中心包含暗区的光束通过白散焦介质时，暗区外面的亮光场将因自散焦效 应而向暗区扩张，如果暗区轮廓的衍射效应正好抵消了自散焦效应引起的扩张， 则暗区将在传播过程中保持其轮廓不变，形成空间暗孤子。暗斑中心的光强为零 时称暗空间孤子；暗斑中心不为零时称灰空间孤子。现在已发现的和研究比较多 的光折变型空间孤子有三种基本的类型，即屏蔽孤子 5 l ，6 2 7 7 、准稳态孤子 4 9 ，5 0 ，7 8 8 7 、光伏孤子 5 4 ，5 5 ，8 8 1 0 3 ，这些孤子可以是一维的也可以是二 维的。准稳态空间孤子存在于晶体中光折射光栅形成后、外加电场未被显著屏蔽 之前的时间窗口里。屏蔽空间孤子是一种稳态孤子，起源于光激发的载流子( 电 子、空穴) 对外加电场的非均匀屏蔽。光伏空间孤子也是一种稳态孤子，它由光 伏电流形成光伏场进而引起的晶体折射率变化( n ) 所导致。随着理论及实验 研究的深入，部分空间非相干亮和暗孤子 7 2 ，7 3 ，7 5 ，7 6 ，1 0 3 1 0 5 ，非相干白光 孤子 7 4 ，1 0 6 ，全光准稳态孤子 8 6 ，8 7 ，1 0 7 1 0 9 ，屏蔽一光伏孤子 9 3 9 8 ，1 1 0 ，复色光光伏空间孤子 1 0 l ，l l 卜1 1 7 ，孤子对 6 8 ，6 9 ，9 6 ，9 8 ， 孤子对碰撞及孤子间的相互作用 1 4 ，1 1 8 1 3 3 ，白发孤子 1 3 4 ，平面波导孤 子 1 2 5 ，1 3 5 - 1 3 8 ，矢量孤子 1 2 4 ，1 3 9 1 4 4 等相继被发现和报道。最近光折变 聚合物 1 4 5 - 1 4 8 里的光折变空间孤子 1 1 7 ，1 4 9 1 5 4 的研究也已经开展。每一 项新发现和进展都很受重视，国际上最具权威性的科学杂志如n a t u r e ， ， ) 等都相继报道有关的新发现和新进展。 光折变空间孤子的形成过程包含许多物理效应 1 4 ，其机制比较复杂，对 光折变空间孤子的研究可以加深和发展人们对光折变机制的认识。介质的非线性 效应是高阶效应，一般地需要有高的光强( 如k e r r 型的光学孤子一般需要 l m c m 2 的光强 9 ) 才有较明显的效应，这就限制了光孤子的应用。光折变 非线性效应则由于其非线性效应不依赖于绝对光强，从而只需1 0 0 m w c m 二的光 强就可以产生明显的效应 5 0 ，因此可以在弱光方面得到应用。光折变效应依 赖于电光效应，所以可由外部电场比较方便地控制孤子的形成。光折变空间孤子 还有明显的光开关和全光开关效应 5 2 ，5 3 ，8 6 ，8 7 ，可以通过控制外部条件如外 4 加电压大小或背景光强度等实现信号光的扩散一收缩转换。形成孤子时，光折变 材料表现出由光束光强调制的折射率改变，这种折射率改变有类似聚焦透镜的功 能，并将光束限制在其中不扩散地传播。当光束撤去后，光折变材料的这种折射 率改变并不马上消失，它可以维持一段时间( 几分钟或者更长地时间，其驰豫时 间反比于总光照强度和暗辐射强度 5 8 ) 并可以引导其它光折变效应较弱的波 长的光在其中不扩散地传播。这就是一种光波导效应。已经有报道显示，在光折 变材料中可以利用孤子的光波导效应实现光束的y 连接 5 5 。目前有关光折变 空间孤子的波导行为的研究正在进一步进行。另外，孤子与孤子问的相互作用出 现了许多非常有趣的现象 1 4 ，1 1 8 1 3 3 。孤子问由于相互作用而引起的能量交 换及位相信息传输等的研究无论是在理论上还是在应用上都具有重要的意义。更 重要的是，由于同样是非线性方程的特解，使得孤子的研究可以类比到一些深刻 的问题，譬如玻色一爱因斯坦凝聚 1 5 5 ，或者类比到一些不易直接观察到的现 象，因此通过对易于观察的光学孤子的研究可以使我们了解一些不易直接观察的 物理问题。还有，孤子这种光束的自陷足不是一种自组织行为等一些问题都有待 于进一步的研究。 光折变空间孤子的研究可以分为两个阶段。在研究的初期，光折变空间孤子 的研究主要集中于研究这类孤子的形成机制。即光折变空间孤子有几种类型，各 种类型有什么特点，孤子的稳定性以及怎样在实验中实现孤子等。 屏蔽孤子的理论分析及预言最先由s e g e v 和v a l l e y 等在1 9 9 4 年作出 6 2 。 实际上，在此之前( 1 9 9 4 ) t u r b e c a s t i l l o 等人已在实验上观察到了电场屏蔽下的 白聚焦效应 6 3 。1 9 9 5 年c h r i s t o d o u l i d e s 等人利用k u k h t a r e v v i n e t s k i i 模型也 从理论上导出了亮和暗孤子解 6 4 ，同年s i l g h 等人对屏蔽孤子的稳定性作了 理论分析 6 5 。次年k o s 等人用实验验证了一维屏蔽孤了理论 6 6 。1 9 9 6 年 s e g e v 等人发现在很高的光强区域会形成空间电荷场为e 1 ( 1 + i 1 2 ) j 的孤子( 其 中“2 = ，。，。) ，在这种高光强下，响应时问会变得很短，可以达到n s 的数量级 5 1 。这为高速光开关的应用提供了理论基础。多个屏蔽孤子相互作用可形成屏 蔽孤子对。1 9 9 6 年c h r i s t o d o u l i d e s 等人在理论上预言了非相干孤子对 6 7 ：同 年， c h e n 和s e g e v 等人相继报道了亮一亮非相干屏蔽孤子对 6 8 及亮一暗非 相干屏蔽孤子对 6 9 。他们在亮一暗孤子对的实验中还发现存在着高阶屏蔽孤 子。接着( 1 9 9 6 年) ，s i n g h 等人对高阶空间电荷场作出了分析 7 0 。同年，s h i h 等发表了二维屏蔽孤子的实验结果 7 1 ；m i t c h e l l 等人报道了部分空问非相干 屏蔽亮孤子的实验观察 7 2 。1 9 9 7 年部分非相干屏蔽孤子的理论由 c h r i s t o d o u l i d e s 等人作出 7 3 。同年，非相干白光屏蔽孤子由m i t c h e l l 和s e g e v 作出 7 4 。1 9 9 8 年c h e n 等人报道了部分空间非相干屏蔽暗孤子的实验观察 7 5 ，c h r i s t o d o u l i d e s 等人则作出了非相干屏蔽暗孤子的理论 7 6 。1 9 9 8 年 d e l r e 等人在有中心对称的晶体中首次实现了一一维屏蔽孤子 7 7 。 准稳态孤子是最早发现的光折变型空间孤子。1 9 9 2 年s e g e v 等人就从理论 上预言了光波各平面波分量的二波耦合效应与衍射效应相抵消的准稳态亮孤子 4 9 。1 9 9 3 年c r o s i g n a n i 等人就怎样才能在非线性晶体中实现光折变空间孤子 进行了分析 7 8 ，为在实验上实现光折变孤子作准备：d u r e e 等人在实验上首 次观察到了准稳态亮孤子 5 0 。1 9 9 4 年c h r i s t o d o u l i d e s 等人从理论上证明了在 过聚焦情况下高斯光束可形成压缩及塌陷 7 9 。同年，s e g e v 等人对准稳态孤 子的稳定性作出了理论上的评价 8 0 。1 9 9 5 年d u r e e 等人在实验上首次观察到 了准稳态暗孤子及涡旋孤子 8 1 。同年，m o r i n 等人报道了准稳态孤子的波导 功能 8 2 。1 9 9 6 年f r e s e n g e a s 等人对光折变空问孤子的时变行为进行了细致的 理论分析并做了实验验证 8 3 。1 9 9 8 年他们又报道了一维准稳态亮孤子的机制 8 4 ，实际上是从另一个角度出发建立了准稳态孤子理论。1 9 9 9 年，m a u f o y 及 f r e s s 等人又利用k u k h t a r e v 带传输模型研究了维准稳态孤子及其相关属性 8 5 。2 0 0 0 年，余卫龙等人首次发现并报道了不需l - d i ：l 电场的全光准稳态孤子 8 6 ，全光双准稳态孤子 8 7 的实验结果：这种新的准稳态孤子有明显的全光 开关效应。全光准稳态特别是全光双准稳态孤子的理论尚未成熟，有待于进一步 研究。 光伏孤子的研究工作开始于1 9 9 4 年，v a l l e y 等人首先对光伏亮暗孤子作了 理论上的分析 8 8 ，1 9 9 5 年t a y a 等人在实验上观察到了暗孤子 5 4 。1 9 9 6 年 他们利用暗孤子在光伏晶体中实现了，形联结 5 5 ，为通信应用作好了准备。 1 9 9 7 年，光伏涡旋孤予由c h e n 等人报道 8 9 。同年，s e g e v 等人对光伏孤子作 理论上的总结并分析了外电路开路及闭路情况下光伏孤子的差异及特性 9 0 。 光伏亮孤子的理论很早就已经给出了，但一直以来都未能在实验中实现，直到 6 1 9 9 9 年二维光伏亮孤子的实验观察才由余卫龙等人首次给出 9 1 。2 0 0 0 年，凌 振芳等对维持圆对称的光伏涡旋孤子作了分析 9 2 。在光伏晶体上外加加电场 可以形成屏蔽一光伏孤子，其理论分析 9 3 ，9 4 由刘劲松和卢克清等人作出 ( 1 9 9 8 ，1 9 9 9 年) 。2 0 0 0 年，刘劲松等人对屏蔽一光伏孤子的稳定性进行了分析 9 5 ，随后，侯春风等人作出了非相干耦合屏蔽一光伏孤子对的理论 9 6 。2 0 0 1 年，刘劲松等分析了屏蔽一光伏孤子的损耗特性 9 7 ，同年，侯春风等研究了 非相干耦合亮一暗屏蔽一光伏孤子对 9 8 。最近( 2 0 0 1 年) ，佘卫龙等人的研 究发现背景光的光伏效应一般不可忽略。他们提出了一个考虑了背景光光伏效应 的光伏空间孤子理论。在这个理论中空间电荷场形式变为 e 芘一( r j 。+ l ) i u ，+ i b ) ，尺为考虑了背景光光伏效应而引入的参数，如果忽略 背景光的光伏效应，则r = 0 ，就回到了以前的理论。根据这个理论，在a n 为正 的晶体中可实现亮及暗孤子，这打破了s c g c v 等人关于“在折射率改变为正的介 质中只能产生亮孤子 9 0 ”的权威论断，并且在考虑背景光光伏效应的情况下， 首次在a n 0 的晶体中获得了光伏暗孤子，证实了有关的理论 9 9 ，1 0 0 。同年， 复色光光伏空间孤子的理论及亮孤子的实验观察由我们小组作出 1 0 1 ，同时我 们还研究了这种孤子的形成条件和稳定性 1 0 2 ，1 。2 0 0 2 年，部分空间非相 干光光伏空间孤子的理论和实验观察也由我们作出 1 0 3 。 随着研究的深入，光折变空间孤子的形成机制已经渐渐清晰，人们已经可以 方便地形成稳定的光折变空问孤子。这时，人们开始将研究的焦点集中于孤子的 相互作用，孤子的控制以及孤子与其他领域的结合。譬如在光折变晶体中多分量 其同形成孤子( 又称矢量孤子) 、多孤子形成孤子簇、孤子阵列，以及在波导阵 列甚至光子晶体中形成所谓的离散孤子。此时的研究结果已经不仅仅适用于光折 变空间孤子，同时也可以广泛的应用于其他领域，譬如玻色一爱因斯坦凝聚 1 5 5 。由于聚合物科学的迅猛发展，在聚合物材料中形成孤予或在聚合物材料 中写入自写波导的研究也成为新的研究热点。这方面的进展将在第6 章介绍。 1 9 9 6 年s h i h 等人报道了非相干二维屏蔽亮孤子相互碰撞的实验观察 1 1 8 ，1 9 9 7 年k r o l i k o w s k i 等人则报道了相干光屏蔽孤子的碰撞的实验结果 1 1 9 。同年，g a r c i a q u i r i n o 等人研究了两束相干且平行的h e n e 光的相互作用 1 2 0 ，证明这种相互作用可以是吸引或排斥，它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 1 2 1 。1 9 9 8 年k r o l i k o w s k i 等人观察到非相干屏蔽孤子的相互作用也表现出吸 引和排斥行为 1 2 2 。1 9 9 9 年k r o l i k o w s k i 等人报道了两束非相干孤子相互碰撞 引起的各自的波形发生变化的实验结果 1 2 3 。同年，a n a s t a s s i o u 等人在实验上 研究了屏蔽涡旋孤子相互作用引起的能量交换 1 2 4 ；k i p 等人则在平面波导上 的屏蔽孤子相互作用 1 2 5 。这一年，s t e g e m a n 等人在( ( s c i e n c e ) ) 上发表了 孤子相互作用的研究进展总结 1 4 。2 0 0 0 年k i v s h a r 等人发表了暗涡旋孤子与 暗条状孤子相互作用的实验结果 1 2 6 ；d e l r e 等人则报道了圆形亮孤子与条状 亮孤子相互作用的实验结果 1 2 7 。同年，c o s k u m 等人在理论上证明了一个非 相干的暗孤子与一束部分非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 1 2 8 。这一年，a l e s h k e v i c h 等人从理论上分析了两束非相干孤子对的 相互作用的情况 1 2 9 ，s t e p k e n 等人则进行了三维屏蔽孤子的各向异性相互作 用的理论分析 1 3 0 。2 0 0 1 年c a n n o n 等人从实验及理论上分析孤子的旋转特性 1 3 1 ，m u s s l i m a n i 等人研究了两个孤子的延迟影响相互作用和旋转轨道耦合 1 3 2 ，g u o 等人则分析了孤子的耦合与分裂问题 1 3 3 。 近几年来，对矢量孤子的研究逐渐地成为一个研究的热点。所谓光折变矢量 孤子是指一束包含有多个成分的信号光束，在光折变介质中各个成分共同形成引 导其自身的波导，并使光束产生白陷。目前比较普遍地是使一束多模式的信号光 束自陷产生矢量孤子。有关光折变矢量孤子和矢晕孤子相。白：作用的最新结果相继 被报导。2 0 0 0 年c a r m o n 等人首次在光折变材料中实现了2 + l 维矢量孤子 1 3 9 ，同年l a w 等人报道了矢量孤子的波导特性 5 6 ，c h e n 等人则报道了矢 量孤子相互作用的界限状态的实验观察 1 4 0 。2 0 0 1 年，y a n g 等人报道了矢量 孤子相互作用的理论分析 1 4 1 ，d e s y a t n i k o v 等人报道了项链形的环状矢量孤 子 1 4 2 ，他们还报道了多极的空间矢量孤子 1 4 3 ，n e s s h e v 等人则报道了偶 极子模型的矢量孤子 1 4 4 。 1 9 9 9 年，d e l r e 等人在亚稳态的顺电相晶体中发现并报道了一种新的光折变 空问亮孤子，即所谓的自发孤予 1 3 4 。这是一种主要由光折变扩散场引起的光 折变型空间孤子，它可以是一维或二维的。其形成不依赖于光强，不需要背景光， 不需要外加电场也不需要晶体有强的光伏效应，它只要求晶体湍度必须使晶体处 于顺电相。其形成机制目前还不是很清楚。另外，人们还对平面波导中的光折变 空间孤子 1 2 5 ，1 3 5 1 3 8 进行了研究。 近年来孤子阵列和在波导阵列中形成所谓的离散孤子吸引了很多研究者的 兴趣 1 5 6 1 6 0 ，并逐渐发展成为光折变空问孤子的研究热点和前沿。 2 0 世纪9 0 年代初，人们发现了聚合物光折变材料 1 4 5 1 4 8 。与无机光折 变材料相比，光折变聚合物具有制备容易、可根据需要进行认为设计等优点。随 着对聚合物光折变材料研究的深入，人们探讨了在其中形成光折变空间孤子的可 能性。最近，s h i h 和s h e u 1 4 9 预言主客体式光折变聚合物也可以支持亮、暗 空间光孤子。这个理论预言由c h e n 1 5 0 等人于2 0 0 3 年首先在有机玻璃中实现。 有关的研究工作正在进一步进行 1 1 7 ，1 5 卜1 5 3 。 光伏空间孤子是一种稳态孤子，它的形成不需要外加的直流电场而只需要一 束； b d d 的背景光束。相对于其他两种孤子，也就是准稳态和屏蔽孤子，它提供一 种全光控制的可能。特别地，背景光的光伏系数提供了一个控制孤子的因素，而 这方面的研究尚未明确和深入。对于光伏晶体外电路闭路的情况，s e g e v 等在文 献 9 0 中提到了这种情况，但是其中的理论分析没有考虑背景光的光伏系数， 同时外电路也只是简单的短路。而对外电路有外加电阻和电动势的情况还未有系 统的研究。矢量孤子是一个很有趣的现象，它是由一束具有多个分量的光束形成 的孤子。目前的研究主要集中在由一束具有多个相同频率但是彼此之问非相干的 成分的光所形成的矢量孤子上，而且研究集中在屏蔽型的孤子上。对于由频率不 同的多个成分组成的复色光能否形成空间孤子则尚不明确，而复色光空间孤子研 究对腔外白激光等方面的研究有一定的意义。同时人们也不断地丌发形成光学空 问孤子的新材料，而聚合物材料是一个很有潜力的材料。聚合物中的光致异构非 线性效应导致的光致双折射已经被广泛地研究。从这些研究中我们发现，一束光 可以通过光敛异构非线性效应使样品产生折射率改变，而且这个折射率改变与光 强相关：这就使得在样品中传播的光束有可能利用自己导致的折射率改变产生一 个自聚焦型的折射率透镜，从而陷住光束本身，形成光学窄间孤子。因此我们提 出了由聚合物的光致异构非线性效应导致的光致异构光学空问孤子。 1 2 理论及实验方法 理论上研究光折变光学空间孤子，一方面需要知道孤子光束在非线性材料中 传播需要满足的波动方程，也就是所谓的“非线性薛定谔方程”；另一方面需要 知道光折变非线性效应是如何导致折射率改变的，以及具有由光折变非线性效应 所引起的折射率改变的非线性薛定谔方程是如何求解的。实验上，本小节介绍了 典型的实验光路。 1 2 1非线性薛定谔方程的推出 本节所用到的符号统一介绍如下： v i 为横向的拉普拉斯算符，a 为光场的电场分量的慢变振幅，k = n o k 。，k 。是 真空圆波数，行为折射率，7 1 。为本底折射率( 也即没有非线性效应时材料的折射 率) ，：为光束的传播方向，豆，西，云和詹分别为电场强度与电位移矢量，磁 场强度与磁感应强度，1 7 与p 分别为自由电流密度与自由电荷密度，盯为电导 率，j u 。与为真空与相对磁导率，s 。为真空介电常数，户为极化强度。 光学空间孤子在非线性材料中传播时需遵循如下的“非线性薛定谔方程”： v i 彳+ 尼j i 门2 一 ；) 彳+ 2 i k04：0(1-1) f 面我们将从麦克斯韦方程组开始，推导出光学窄间孤子在非线性材料中传 播时需遵循的非线性薛定谔方程。介质中的麦氏方程组写为： v 豆：一挲，( 1 2 ) 西 v 疗：望+ t 7 西 v d = p v 云：0 1 0 ( 1 - 3 ) ( 1 - 4 ) ( 卜5 ) 对方程( 卜2 ) 两边取旋度得， 乳弧肚一鳓 昙( 弧鳓，( 1 - 6 ) 方程右边有： 一盹c 鲁c v 旧卜风掌一心警= 一m 警一风警一仃署m 7 ， 这里用到了物质方程 d = s o e + p t 7 ：面 ( 卜8 ) 【b 2 o 由矢量分析方程左边得： v x v x 丘= v ( v 雷) 一v 2 豆， ( 1 9 ) 对于光场，假定无光场激发源，并且假定s 与坐标无关的情况下 v ( v