（光学专业论文）光诱导孤子波导及双轴晶体中shg的最佳相位匹配条件.pdf

西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 光诱导孤子波导及双轴晶体中s h g的最佳相位匹配条件* 摘要 本文包含两部分研究内容: 第一部分是光折变空间孤子及其诱导波导的理论分析和 实验研究， 第二部分是双轴晶体中二次谐波产生 ( s h g )的最佳相位匹配条件的确定。 具体研究内容如下: ( 1 ) 简要介绍了 光折变晶体中的光折变效应及光折变空间孤子产生的机制，讨论了 两种光折变晶体 ( s b n晶体和 l in b 0 3 晶体)中的线性电光效应，从 k u k h t a r e v方程组 出发，详细地推导了一维光折变空间孤子理论，并给出其积分形式的解口 ( 2 ) 对一维光折变空间孤子理论进行了 数值求解，并进一步得到了 孤子的强度半值 宽 度随 孤 子 峰 值强 度比: ( 亮 孤子) 或 p ( 暗 孤子) 的 变 化曲 线; 利 用光束 传 播 法( b p m) , 对一维亮屏蔽孤子在晶体中的传播特性及其相互作用进行了数值模拟分析。 ( 3 ) 数值分析了两种类型的 扰动 ( 即相位扰动和振幅扰动)对均匀入射光束的调制 效果， 在此基础上分别利用上述两种类型的光场扰动实验研究了l in b 0 3 : f e 晶体中一维 暗光伏孤子的形成， 并成功地在晶体中写入了 平面孤子波导和y型分叉波导: 理论分析 和实验研究了写入光束强度梯度取向对一维暗光伏孤子形成的影响， 在此基础上提出了 一种利用一维空间光孤子在块状晶体材料中写入通道波导的新方法， 并在l in b 0 3 :f e 晶 体中得到了实验验证。 ( 4 ) 讨论并给出了双轴晶体中给定波矢所对应的光束偏振方向的计算公式，并在此 基础上具体推导并修正了以往文献中所给出的双轴晶体中 s h g的有效非线性光学系数 的计算方法，为精确确定双轴晶 体中s h g的 最佳相位匹配条件提供了理论基础;作为 特 例， 数 值计 算了 有 机非 线 性光 学晶 体二苯甲 酮 对 两 种基 波( 1 .0 6 4 ftm和0 .8 0 8 u m ) s h g 的相位匹配条件及相应的有效非线性光学系数， 根据所得结果确定出了相应的最佳相位 匹配条件，在此基础上提出了用于 s h g的二苯甲酮晶体的约束生长方案，并取得了令 人满意的实验效果。 关键词: 光 折 变空间 孤 子， 孤 子诱 导 波导， 二 次 谐 波 产 生( s h g ) ， 最 佳相 位匹 配条 件 二苯甲酮 . 国家自 然 科学 基金 ( 项目 编号6 0 0 7 7 0 1 8 ) 及西北工业大 学 凝固 技术国家重 点实 验室开放课 题资 助项目 西 北 工 业 大 学硕 士 学 位 论 文 l i g h t - i n d u c e d s o l it o n w a v e g u i d e s a n d o p t i m a l p h a s e - m a t c h i n g f o r s h g i n b i a x i a l c r y s t a l s ab s t r a c t i n t h i s t h e s i s , t w o re s e a r c h s u b j e c t s a r e i n v o l v e d : o n e i s t h e t h e o r e t i c a l a n d e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n o f o n e - d i m e n s i o n a l p p s a n d t h e i r i n d u c e d w a v e g u i d e s , a n d t h e o t h e r i s t h e d e t e r m i n a t i o n o f t h e o p t i m a l p h a s e - m a t c h i n g f o r s h g i n b i a x i a l c ry s t a l s . t h e m a i n w o r k i s a s f o l l o ws : ( 1 ) t h e p h o t o r e f r a c t i v e e ff e c t as w e l l a s t h e b u i l d - u p m e c h a n i s m o f p p s i s b r ie fl y i n t r o d u c e d , a n d t h e l i n e a r e l e c t r o - o p t i c e ff e c t in t w o p h o t o r e fr a c t i v e c r y s t a l s , t h a t i s , s b n a n d l in b 0 3 , i s d i s c u s s e d . o n t h e b a s i s o f k u k h t a r e v e q u a t i o n s , t h e t h e o r y o f o n e - d i m e n s i o n a l p p s i s s t u d i e d i n d e t a i l , a n d t h e s o l u t i o n s o f p p s a r e p re s e n t e d i n f o r m o f i n t e g r a t io n s , ( 2 ) t h e t h e o r y o f o n e - d i m e n s i o n a l p p s i s s o l v e d b y n u m e r i c a l c o m p u t a t i o n , a n d t o t a k e i t f u rt h e r , t h e d e p e n d e n c e c u r v e s o f t h e c o r r e s p o n d i n g i n t e n s i t y f u l l w i d t h a t h a l f m a x i m u m ( f wh m ) o n t h e i r r a d i a n c e d i v i d e d b y d a r k i r r a d i a n c e a r e o b t a i n e d . b y e m p l o y i n g t h e b e a m p r o p a g a t i o n m e t h o d ( b p m) , t h e p r o p a g a t i n g p r o p e rt i e s o f o n e - d im e n s i o n a l b r i g h t s c r e e n i n g s p a t i a l s o l i t o n s a n d t h e i r in t e r a c t i o n s a r e i n v e s t i g a t e d . ( 3 ) t h e f o r m a t i o n o f o n e - d i m e n s i o n a l d a r k p 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 s ( p v s s ) i s e x p e r i m e n t a l l y i n v e s t i g a t e d i n l in b 0 3 :f e c r y s t a l . p l a n a r a n d划u n c t i o n s o l i t o n - i n d u c e d w a v e g u i d e s a r e s u c c e s s f u l l y f a b r i c a t e d b y i n t r o d u c i n g p h a s e p e r t u r b a t i o n a n d a m p l i t u d e p e rt u r b a t i o n i n u n i f o r m in c i d e n t b e a m s , r e s p e c t i v e ly . b a s e d o n t h e o r e t i c a l a n a ly s is a n d e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n o f t h e i n fl u e n c e o f t h e i n t e n s i t y g r a d i e n t o r i e n t a t i o n s o n t h e f o r m a t i o n o f o n e - d i m e n s i o n a l d a r k p v s s , a n o v e l a p p r o a c h i s p r o p o s e d t o f a b r i c a t e c h a n n e l w a v e g u id e i n b u l k c ry s t a l s w i t h o n e - d i m e n s i o n a l s o l i t o n s b y t w i c e e x p o s u r e s a n d e x p e r i m e n t al l y d e m o n s t r a t e d i n l in b 0 3 : f e c ry s t a l . ( 4 ) t h e p h a s e - m a t c h i n g f o r s e c o n d h a r m o n i c g e n e r a t i o n ( s h g ) i n b i a x i a l c ry s t a l s a n d t h e c o r r e s p o n d i n g e ff e c t i v e n o n l i n e a r o p t i c c o e ff i c i e n t s d e ,r a r e d i s c u s s e d i n d e t a i l a n d t h e i r a c c u r a t e a n a l y t i c a l e x p r e s s i o n s a r e p r e s e n t e d . a s a n e x a m p l e , n u m e r i c a l t r e a t m e n t s a r e p e r f o r m e d o n t h e p h a s e - m a t c h i n g a n d t h e c o r re s p o n d i n g d e a f o r s h g a t f u n d a m e n t a l w a v e l e n g t h s o f 1 .0 6 4 h m a n d 0 . 8 0 8 p m in b e n z o p h e n o n e a n d a c c o r d i n g l y , t h e o p t i m a l p h a s e - m a t c h i n g a n g l e s a r e d e t e r m i n e d . b a s e d o n t h i s , o r i e n t e d g r o w t h o f b e n z o p h e n o n e f o r s h g i s p r o p o s e d , a n d s a t i s f a c t o ry e x p e r i m e n t a l r e s u l t s a r e a c h ie v e d . k e y w o r d s : p h o t o r e fr a c t i v e s p a t i a l s o l i t o n , s o l i t o n - i n d u c e d w a v e g u i d e , s e c o n d h a r m o n i c g e n e r a t i o n ( s h g ) , o p t i m a l p h as e - m a t c h i n g , b e n z o p h e n o n e * s u p p o r t e d b y t h e n a t i o n a l n a t u r a l s c ie n c e f o u n d a t i o n o f c h i n a u n d e r g r a n t n o 6 0 0 7 7 0 1 8 o f t h e s t a t e k e y l a b o r a t o ry o f s o l id i f i c a t i o n p r o c e s s i n g i n n p u . a n d t h e f u n d 西 l工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 第 1 章 绪 论 1 . 1孤子及光孤子概念的提出 近年来， 孤子现象受到人们的大量关注， 孤子理论及其应用己成为非线性科学领域 中的一个重要研究课题。 孤子现象的最早发现及科学记载可追溯到1 8 3 4 年， 当时一位名叫s c o tt r u s s e l l 的英 国科学家在一条浅而狭窄的河道中观察到一个轮廓分明的光滑水峰向前行进， 水峰在行 进的过程中形状和速度保持不变， 同时在这个非同寻常的水峰两侧的河水依然保持平静 如初i l l , 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” 。但是，当时r u s s e l l 并未能成功地证明他的论断。五十年以后，荷兰数学家 k o r te w e g 和d e v r i e s 认识 到: 要 产生 “ 孤立 波 ” ， 它 的 振 幅 必 须异 常地大， 这 意 味着 大 振 幅状态下表现出与小振幅状态下不同的行为， 因为在大振幅下介质具有非线性行为。 他 们建立了著名的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 9 6 5 年， 美国 著名科学家k r u s k a l 和z a b u s k y 用数值模拟 方法研究了等离子体中孤立波的碰撞过程， 结果发现孤立波相互作用后保持各自 的波形 不 变， 并 且 保持能量 和动量守 恒， 因 此 他们将其命名为“ 孤立子” ， 简称“ 孤子1 t 2 1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领域中， 在流体 力学、 天体物理、 超导物理、 非线性光学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。 光与物质相互作用过程中由 于非线性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速发展， 其中有 关 光孤子的 研究近年来也引 起了 科学家们的广泛关 注， 并且开展了很多的 研究 许多理 论己日 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 rt 于1 9 7 3 年 首 次 提出 的 3 1 。 他 们 预 言 当 光 纤 中的线性色散效应和非线性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。目前， 对 它的研究己日趋完善并逐渐向实用化发展。 空间光孤子是指当非线性介质的自 聚焦 自 散焦) 效应与光束的衍射发散作用相互 平衡时， 在介质中无衍射地向前传播的光束。 按照非线性介质的自 聚焦特性， 空间孤子 可以分为亮孤子 ( 形成于自 聚焦非线性介质中) 、暗孤子及灰孤子 ( 形成于自 散焦非线 性介质中) ;按照孤子写入光束的相千性，可分为相干孤子和非相千孤子;按照孤子的 维度， 可以分为 ( 1 + 1 ) 维孤子和( 2 + 1 ) 维孤子。 空间光孤子最早是在克尔介质或类克尔介质中发现的。而且在过去的 3 0年里对克 西 l工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 第 1 章 绪 论 1 . 1孤子及光孤子概念的提出 近年来， 孤子现象受到人们的大量关注， 孤子理论及其应用己成为非线性科学领域 中的一个重要研究课题。 孤子现象的最早发现及科学记载可追溯到1 8 3 4 年， 当时一位名叫s c o tt r u s s e l l 的英 国科学家在一条浅而狭窄的河道中观察到一个轮廓分明的光滑水峰向前行进， 水峰在行 进的过程中形状和速度保持不变， 同时在这个非同寻常的水峰两侧的河水依然保持平静 如初i l l , 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” 。但是，当时r u s s e l l 并未能成功地证明他的论断。五十年以后，荷兰数学家 k o r te w e g 和d e v r i e s 认识 到: 要 产生 “ 孤立 波 ” ， 它 的 振 幅 必 须异 常地大， 这 意 味着 大 振 幅状态下表现出与小振幅状态下不同的行为， 因为在大振幅下介质具有非线性行为。 他 们建立了著名的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 9 6 5 年， 美国 著名科学家k r u s k a l 和z a b u s k y 用数值模拟 方法研究了等离子体中孤立波的碰撞过程， 结果发现孤立波相互作用后保持各自 的波形 不 变， 并 且 保持能量 和动量守 恒， 因 此 他们将其命名为“ 孤立子” ， 简称“ 孤子1 t 2 1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领域中， 在流体 力学、 天体物理、 超导物理、 非线性光学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。 光与物质相互作用过程中由 于非线性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速发展， 其中有 关 光孤子的 研究近年来也引 起了 科学家们的广泛关 注， 并且开展了很多的 研究 许多理 论己日 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 rt 于1 9 7 3 年 首 次 提出 的 3 1 。 他 们 预 言 当 光 纤 中的线性色散效应和非线性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。目前， 对 它的研究己日趋完善并逐渐向实用化发展。 空间光孤子是指当非线性介质的自 聚焦 自 散焦) 效应与光束的衍射发散作用相互 平衡时， 在介质中无衍射地向前传播的光束。 按照非线性介质的自 聚焦特性， 空间孤子 可以分为亮孤子 ( 形成于自 聚焦非线性介质中) 、暗孤子及灰孤子 ( 形成于自 散焦非线 性介质中) ;按照孤子写入光束的相千性，可分为相干孤子和非相千孤子;按照孤子的 维度， 可以分为 ( 1 + 1 ) 维孤子和( 2 + 1 ) 维孤子。 空间光孤子最早是在克尔介质或类克尔介质中发现的。而且在过去的 3 0年里对克 第 1章绪 论 尔孤子的 研究也取得了很大的进展。但是，由 于克尔效应中折射率变化与光强成正比， 因 此克尔孤子的产生往往需要很高的光功率 ( 1 m w / c m z ) ，这大大限制了其实际应用。 1 9 9 2 年， s e g e v 14 ) 等 人 首 次 在理 论 上 预 言了 一 种 新 的 空 间 光 孤子 。 这 种 空 间 孤 子的 形 成 依赖于光折变效应，因而称为光折变空间孤子。近十年来，光折变空间孤子以其写入功 率 低、 写 入 波导 存 储周 期长、 能 形 成 ( 2 十1 ) 维 波导 等 优 于克 尔孤 子的 特点， 成为 最 活 跃 的研究领域之一。 1 .2 光折变相干空间孤子 根据光折变相干空间孤子形成条件及物理机制的不同， 可将其分成三种最基本的类 型，即准稳态孤子，屏蔽孤子和光伏孤子。一 下 面对其研究概况作简要评述。 1 .2 . 1 准稳态孤子 1 9 9 2 年， m . s e g e v 等人 4 1首 先 从 理论上 分 析了 在一 定 外 加电 场 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 孤子的 存在。 1 9 9 3 年， g c . d u r e e 等人5 ) 首次从 实验上观察到了外加电场作用下的光折变晶体中的空间光孤子， 他们探测到的光孤子只 在有限的时间内存在，因此这种空间孤子是准稳态孤子。而且他们还发现， 这种孤子的 尺 寸只依 赖于入射光束的尺寸， 与入射光的 绝对光强无 关。1 9 9 4 年， d u r e e 等人6 1 对 准 稳态光折变空间孤子的维数和尺度进行了实验研究， 结果表明， 在与外加电场平行和垂 直的两个方向上光束在光折变晶体中的自 陷具有非对称性， 且孤子尺寸与外加电场大小 无关 。 随 后， 人们对准稳态孤子 进 行了 更深入 地 研究7 - 1 2 1但由于 这种 孤子在 材料中 存 在的时间很短，因此其研究和应用范围受到了限制。 1 .2 .2 屏蔽孤子 1 9 9 4 年， s e g e v 等 13 首 先 预 言 在 外 加电 场 作 用 下的 非 光 伏 光 折 变 晶 体 中 存 在一 种 稳 态空间光孤子，由于该孤子的形成依赖于晶体内部空间电荷场对外加电场的非均匀屏 蔽， 因此被称为屏蔽孤子。1 9 9 5 年， d . n . c h r i s t o d o u l i e d s 等 14 1 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、暗及灰空间孤子解。 1 9 9 5 年， m. f . s h i h 等 1 5 1 首次在实验中观察到了 二维屏蔽孤子， 并发现:当沿晶 体 光轴方向加一合适电压时， 可得到孤子光束在两个方向的 对称自 陷;当稍微降低外加电 场时， 孤子形状会变成在平行于外加电场方向上较窄的椭圆;反之，当稍微升高该外加 电 场时， 孤子形状会变成在垂直于外加电 场方向 较窄的椭圆。 实验结果还表明， 在没有 均匀背景照明光时得不到光束的自陷，即不能形成光折变屏蔽孤子。 1 9 9 6 年， m . f . s h i h 等人 1 6 1在实 验中 进一步 发 现， 在 特定的 外加电 场和孤子强 度比 下， 入射光束的尺寸不一定必须严格地等于该条件下的孤子尺寸， 而且孤子光束在晶体 出射面的横向位相分布是均匀的，即相当于光束的光腰。 第 1章绪 论 尔孤子的 研究也取得了很大的进展。但是，由 于克尔效应中折射率变化与光强成正比， 因 此克尔孤子的产生往往需要很高的光功率 ( 1 m w / c m z ) ，这大大限制了其实际应用。 1 9 9 2 年， s e g e v 14 ) 等 人 首 次 在理 论 上 预 言了 一 种 新 的 空 间 光 孤子 。 这 种 空 间 孤 子的 形 成 依赖于光折变效应，因而称为光折变空间孤子。近十年来，光折变空间孤子以其写入功 率 低、 写 入 波导 存 储周 期长、 能 形 成 ( 2 十1 ) 维 波导 等 优 于克 尔孤 子的 特点， 成为 最 活 跃 的研究领域之一。 1 .2 光折变相干空间孤子 根据光折变相干空间孤子形成条件及物理机制的不同， 可将其分成三种最基本的类 型，即准稳态孤子，屏蔽孤子和光伏孤子。一 下 面对其研究概况作简要评述。 1 .2 . 1 准稳态孤子 1 9 9 2 年， m . s e g e v 等人 4 1首 先 从 理论上 分 析了 在一 定 外 加电 场 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 孤子的 存在。 1 9 9 3 年， g c . d u r e e 等人5 ) 首次从 实验上观察到了外加电场作用下的光折变晶体中的空间光孤子， 他们探测到的光孤子只 在有限的时间内存在，因此这种空间孤子是准稳态孤子。而且他们还发现， 这种孤子的 尺 寸只依 赖于入射光束的尺寸， 与入射光的 绝对光强无 关。1 9 9 4 年， d u r e e 等人6 1 对 准 稳态光折变空间孤子的维数和尺度进行了实验研究， 结果表明， 在与外加电场平行和垂 直的两个方向上光束在光折变晶体中的自 陷具有非对称性， 且孤子尺寸与外加电场大小 无关 。 随 后， 人们对准稳态孤子 进 行了 更深入 地 研究7 - 1 2 1但由于 这种 孤子在 材料中 存 在的时间很短，因此其研究和应用范围受到了限制。 1 .2 .2 屏蔽孤子 1 9 9 4 年， s e g e v 等 13 首 先 预 言 在 外 加电 场 作 用 下的 非 光 伏 光 折 变 晶 体 中 存 在一 种 稳 态空间光孤子，由于该孤子的形成依赖于晶体内部空间电荷场对外加电场的非均匀屏 蔽， 因此被称为屏蔽孤子。1 9 9 5 年， d . n . c h r i s t o d o u l i e d s 等 14 1 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、暗及灰空间孤子解。 1 9 9 5 年， m. f . s h i h 等 1 5 1 首次在实验中观察到了 二维屏蔽孤子， 并发现:当沿晶 体 光轴方向加一合适电压时， 可得到孤子光束在两个方向的 对称自 陷;当稍微降低外加电 场时， 孤子形状会变成在平行于外加电场方向上较窄的椭圆;反之，当稍微升高该外加 电 场时， 孤子形状会变成在垂直于外加电 场方向 较窄的椭圆。 实验结果还表明， 在没有 均匀背景照明光时得不到光束的自陷，即不能形成光折变屏蔽孤子。 1 9 9 6 年， m . f . s h i h 等人 1 6 1在实 验中 进一步 发 现， 在 特定的 外加电 场和孤子强 度比 下， 入射光束的尺寸不一定必须严格地等于该条件下的孤子尺寸， 而且孤子光束在晶体 出射面的横向位相分布是均匀的，即相当于光束的光腰。 第 1章绪 论 尔孤子的 研究也取得了很大的进展。但是，由 于克尔效应中折射率变化与光强成正比， 因 此克尔孤子的产生往往需要很高的光功率 ( 1 m w / c m z ) ，这大大限制了其实际应用。 1 9 9 2 年， s e g e v 14 ) 等 人 首 次 在理 论 上 预 言了 一 种 新 的 空 间 光 孤子 。 这 种 空 间 孤 子的 形 成 依赖于光折变效应，因而称为光折变空间孤子。近十年来，光折变空间孤子以其写入功 率 低、 写 入 波导 存 储周 期长、 能 形 成 ( 2 十1 ) 维 波导 等 优 于克 尔孤 子的 特点， 成为 最 活 跃 的研究领域之一。 1 .2 光折变相干空间孤子 根据光折变相干空间孤子形成条件及物理机制的不同， 可将其分成三种最基本的类 型，即准稳态孤子，屏蔽孤子和光伏孤子。一 下 面对其研究概况作简要评述。 1 .2 . 1 准稳态孤子 1 9 9 2 年， m . s e g e v 等人 4 1首 先 从 理论上 分 析了 在一 定 外 加电 场 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 孤子的 存在。 1 9 9 3 年， g c . d u r e e 等人5 ) 首次从 实验上观察到了外加电场作用下的光折变晶体中的空间光孤子， 他们探测到的光孤子只 在有限的时间内存在，因此这种空间孤子是准稳态孤子。而且他们还发现， 这种孤子的 尺 寸只依 赖于入射光束的尺寸， 与入射光的 绝对光强无 关。1 9 9 4 年， d u r e e 等人6 1 对 准 稳态光折变空间孤子的维数和尺度进行了实验研究， 结果表明， 在与外加电场平行和垂 直的两个方向上光束在光折变晶体中的自 陷具有非对称性， 且孤子尺寸与外加电场大小 无关 。 随 后， 人们对准稳态孤子 进 行了 更深入 地 研究7 - 1 2 1但由于 这种 孤子在 材料中 存 在的时间很短，因此其研究和应用范围受到了限制。 1 .2 .2 屏蔽孤子 1 9 9 4 年， s e g e v 等 13 首 先 预 言 在 外 加电 场 作 用 下的 非 光 伏 光 折 变 晶 体 中 存 在一 种 稳 态空间光孤子，由于该孤子的形成依赖于晶体内部空间电荷场对外加电场的非均匀屏 蔽， 因此被称为屏蔽孤子。1 9 9 5 年， d . n . c h r i s t o d o u l i e d s 等 14 1 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、暗及灰空间孤子解。 1 9 9 5 年， m. f . s h i h 等 1 5 1 首次在实验中观察到了 二维屏蔽孤子， 并发现:当沿晶 体 光轴方向加一合适电压时， 可得到孤子光束在两个方向的 对称自 陷;当稍微降低外加电 场时， 孤子形状会变成在平行于外加电场方向上较窄的椭圆;反之，当稍微升高该外加 电 场时， 孤子形状会变成在垂直于外加电 场方向 较窄的椭圆。 实验结果还表明， 在没有 均匀背景照明光时得不到光束的自陷，即不能形成光折变屏蔽孤子。 1 9 9 6 年， m . f . s h i h 等人 1 6 1在实 验中 进一步 发 现， 在 特定的 外加电 场和孤子强 度比 下， 入射光束的尺寸不一定必须严格地等于该条件下的孤子尺寸， 而且孤子光束在晶体 出射面的横向位相分布是均匀的，即相当于光束的光腰。 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 9 9 7 年， m . f . s h i h 等人d 7 从理论和实验上研究了 光折变屏蔽孤子诱导波导的 特性， 结果表明:光折变屏蔽亮孤子诱导波导可能的导波模式数依赖于孤子峰值强度比: ，其 导波模式数随孤子强度的比值的增加而单调地增加; 而对于屏蔽暗孤子， 其诱导波导均 只能支持一种导波模式，与孤子峰值强 度比 p 无关。 其研究结果还表明， 对光折变屏蔽 亮或暗孤子的诱导波导而言， 其传播常数都是孤子强度比r 或p 函数，都可以 进行连续 的调节。 此外， 人们还通过数值模拟的方法研究了外加电场作用下屏蔽亮孤子在光折变晶体 中 的 动 态演化 过程以 及扩散效 应对屏 蔽 亮孤子 偏转的 影响 1 s - 1 9 1 1 .2 .3 光伏孤子 1 9 9 4 年， v a l le y 等人 2 0 预言 在具 有 光 生 伏 打 效 应的 光 折变晶 体中 存在一 种 新型 的 光 折变空间孤子，并指出该类孤子形成的物理基础是光伏晶体中的体光生伏打效应， 而不 需要外加电 场，故命名为光生伏打孤子，简称光伏孤子。他们从k u k h t a r e v 方程的光 折 变动力学方程组出发， 利用光波电场振幅的缓变化近似和傍轴近似， 对一维光伏孤子解 进行了 讨论。其结果表明，在光伏光折变晶体中， 亮孤子、暗孤子和灰孤子均可存在。 m . t a y a 等 12 11 最 早 在 实 验中 观 察 到了 一 维 光 伏 暗 孤 子， 其 实 验中 所 使 用 的 晶 体 是 未 掺杂的 l i n b 0 3 晶体 ( l m m x l m m x l m m ) 。为了 产生一维暗孤子，他们用一相位阶变器 ( 玻璃片) 在均匀背景光束中产生一个暗槽， 然后将其成像到晶休的表面上。实验中， 为了 研究入射光束强度梯度取向 对光束自 陷的影响，m . t a y a 等考虑了以 下两种情况; 入射光束强度的梯度垂直于晶体的光轴; 入射光束强度的梯度平行于晶 体的光轴。 实验发现， 在第一种情况下， 光束未发生自 陷; 而在第二种情况下， 观察到了 光束的自 陷 。 次 年， m 厂 r a y a 等 2 2 1 在实 验中 利 用一 维 暗 光 伏 孤 子 在l in b 0 3 晶 体中 写 入 了y 型 交 叉光波导。 他们在实验中使用一金属丝挡住均匀光束的中心并进行滤波， 使光场中只剩 下两条暗纹以达到实验的目的。 z h a n g g u o q u a n 等 2 3 1在l in b 0 3 :f e 晶 体 中 也 观 察 到了 一 维 暗 光 伏 孤 子 ， 但 他 们 在 实 验中并未对衍射条纹进行滤波，因此随着辐照时间的增长，出现了更高次的暗孤子。 随着对光伏孤子实验研究的深入进行， 人们相继观察到了 二维的光伏孤子。 1 9 9 7 年， c h e n z h i g a n g 等 2 4 首 次 报 道了 l in b o 。 晶 体中 的 二 维 暗 光 伏 孤 子( 涡 旋 孤 子) 。 1 9 9 9 年， 佘卫 龙 等 人 2 5 !在 c u :k n s b n 晶 体中 首 次 观 察 到了 二 维 亮 光 伏 孤子。 2 0 0 1 年， 佘 卫龙 等 2 6 1 通过采用不同 波长的 激光作为信号光和背景光， 在折射率变化为正值的c u : k n s b n 晶 体 中观察到了光伏暗孤子。 此外， 值得一提的 是， 1 9 9 9年， 刘劲松等2 7 研究了 光束在外加电 场作用下的 光伏 光折变晶体中的传播特性， 并预言在外加电场作用下的光伏光折变晶体中存在着一种新 型 的 稳 态空 间 光 孤子， 并 称之为 屏蔽 光 伏 孤子。 2 0 0 4 年， e . f a z i o 等 2 8 )在l in b 0 3 晶 体 中观察到了二维的亮屏蔽光伏孤子，从而验证了屏蔽光伏孤子的存在。 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 9 9 7 年， m . f . s h i h 等人d 7 从理论和实验上研究了 光折变屏蔽孤子诱导波导的 特性， 结果表明:光折变屏蔽亮孤子诱导波导可能的导波模式数依赖于孤子峰值强度比: ，其 导波模式数随孤子强度的比值的增加而单调地增加; 而对于屏蔽暗孤子， 其诱导波导均 只能支持一种导波模式，与孤子峰值强 度比 p 无关。 其研究结果还表明， 对光折变屏蔽 亮或暗孤子的诱导波导而言， 其传播常数都是孤子强度比r 或p 函数，都可以 进行连续 的调节。 此外， 人们还通过数值模拟的方法研究了外加电场作用下屏蔽亮孤子在光折变晶体 中 的 动 态演化 过程以 及扩散效 应对屏 蔽 亮孤子 偏转的 影响 1 s - 1 9 1 1 .2 .3 光伏孤子 1 9 9 4 年， v a l le y 等人 2 0 预言 在具 有 光 生 伏 打 效 应的 光 折变晶 体中 存在一 种 新型 的 光 折变空间孤子，并指出该类孤子形成的物理基础是光伏晶体中的体光生伏打效应， 而不 需要外加电 场，故命名为光生伏打孤子，简称光伏孤子。他们从k u k h t a r e v 方程的光 折 变动力学方程组出发， 利用光波电场振幅的缓变化近似和傍轴近似， 对一维光伏孤子解 进行了 讨论。其结果表明，在光伏光折变晶体中， 亮孤子、暗孤子和灰孤子均可存在。 m . t a y a 等 12 11 最 早 在 实 验中 观 察 到了 一 维 光 伏 暗 孤 子， 其 实 验中 所 使 用 的 晶 体 是 未 掺杂的 l i n b 0 3 晶体 ( l m m x l m m x l m m ) 。为了 产生一维暗孤子，他们用一相位阶变器 ( 玻璃片) 在均匀背景光束中产生一个暗槽， 然后将其成像到晶休的表面上。实验中， 为了 研究入射光束强度梯度取向 对光束自 陷的影响，m . t a y a 等考虑了以 下两种情况; 入射光束强度的梯度垂直于晶体的光轴; 入射光束强度的梯度平行于晶 体的光轴。 实验发现， 在第一种情况下， 光束未发生自 陷; 而在第二种情况下， 观察到了 光束的自 陷 。 次 年， m 厂 r a y a 等 2 2 1 在实 验中 利 用一 维 暗 光 伏 孤 子 在l in b 0 3 晶 体中 写 入 了y 型 交 叉光波导。 他们在实验中使用一金属丝挡住均匀光束的中心并进行滤波， 使光场中只剩 下两条暗纹以达到实验的目的。 z h a n g g u o q u a n 等 2 3 1在l in b 0 3 :f e 晶 体 中 也 观 察 到了 一 维 暗 光 伏 孤 子 ， 但 他 们 在 实 验中并未对衍射条纹进行滤波，因此随着辐照时间的增长，出现了更高次的暗孤子。 随着对光伏孤子实验研究的深入进行， 人们相继观察到了 二维的光伏孤子。 1 9 9 7 年， c h e n z h i g a n g 等 2 4 首 次 报 道了 l in b o 。 晶 体中 的 二 维 暗 光 伏 孤 子( 涡 旋 孤 子) 。 1 9 9 9 年， 佘卫 龙 等 人 2 5 !在 c u :k n s b n 晶 体中 首 次 观 察 到了 二 维 亮 光 伏 孤子。 2 0 0 1 年， 佘 卫龙 等 2 6 1 通过采用不同 波长的 激光作为信号光和背景光， 在折射率变化为正值的c u : k n s b n 晶 体 中观察到了光伏暗孤子。 此外， 值得一提的 是， 1 9 9 9年， 刘劲松等2 7 研究了 光束在外加电 场作用下的 光伏 光折变晶体中的传播特性， 并预言在外加电场作用下的光伏光折变晶体中存在着一种新 型 的 稳 态空 间 光 孤子， 并 称之为 屏蔽 光 伏 孤子。 2 0 0 4 年， e . f a z i o 等 2 8 )在l in b 0 3 晶 体 中观察到了二维的亮屏蔽光伏孤子，从而验证了屏蔽光伏孤子的存在。 第1章绪 论 1 .3 光折变非相干空间孤子 1 9 9 6 年m i t c h e l l 等人2 9 首次实现了 部分空间非相干光束的一维自 陷。 次年， 他们建 立了非相干孤子理论， 并对非相干光的自陷做出了 解释， 此外他们还用发射光谱范围为 3 8 0 - - 7 2 0 n m的白 炽灯实现了白 光的二维自 陷。 1 9 9 8 年， d e m e t r i o s 等人3 0 在理论上论证 了 非瞬时响应的非线性介质中 存在非相干暗孤子的可能性。 1 9 9 9 年， c h e n z h i g a n g 等人 3 l 第一次 用实 验证明了 可以 用非相干光在光折变材料中写入波导。 这使得用空间非相干 光在块状的光折变介质中产生自陷光束成为可能。 其实验结果表明:在一维情况下， 用 自 陷的非相干暗条纹诱导所形成的平面或者 y形分叉波导能够引导另外一束波长不同 的相干光; 在二维的情况下， 非相干暗孤子的形成起因于光学涡动所引起的折射率变化， 该 变 化 类 似 于 一 个 环 形 波 导 。 2 0 0 2 年， c h e n z h i g a n g 等 3 2 第 一 次 用部 分 空 间 非 相 干 光 产生了孤子阵列。 他们通过一束调制的部分空间非相干光在非瞬时响应的自 聚焦光折变 介质中得到了一个 3 2 x 3 2 的孤子阵列。 光折变非相干空间 孤子的 研究2 9 - 3 6 使得用小 功率的非 相千光束来控制大功率的 相 干光束成为可能，具有十分重要的意义。 1 .4 光折变空间孤子间的相互作用 由于光孤子之间的相互作用与粒子间的相互作用非常类似， 因此在光孤子的所有特 性中， 最令人感兴趣的就是孤子间的相互作用，或称孤子碰撞。根据介质的非线性响应 速度与相互作用光束之间相位差变化速度的关系， 可将光折变空间孤子间的相互作用分 为相干和非相干相互作用。 相干相互作用发生在瞬时响应的非线性介质中， 介质对光束 的干涉场发生非线性响应，因此相互作用对作用光束之间的相位差有很高的敏感性 3 7 - a 1 ， 如同 相孤子相互吸引、 反 相孤子相互排斥， 并且 在某些 情况下还 可能 发生 孤子融 合、 湮灭、 产生以及能量转移等现象。非相干相互作用发生在响应远远慢于光束之间相 位差变化的非线性介质中， 介质只对光强的时间平均值产生响应， 而与孤子光束间的相 位差无关。 理论和实验研究均表明，一维非相干孤子表现为相互吸引， 而二维非相干孤 子既可以 表 现为相 互吸引， 也可以 表 现为 相互排斥， 依赖于 孤子间的 空间 相对分 布4 2 - 4 5 1 9 9 7 年， g a r c ia - q u i r in 。 等 3 7 研究了 光 折 变晶 体b i ,2 t io 2 o 中 平 行 传 播 的 相 干 光 孤 子 间的相互作用。 实验表明， 当初相位相同时， 两孤子间将相互吸引， 而当初相位相反时。 两孤子将相互排斥。 同 年， k r o li k o w s k i 等 3 8 - 3 9