光折变空间孤子

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1、2014年春季学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考核科目:光波耦合理论学生所在院（系）:理学院物理系学生所在学科:光学学生姓名:王磊学号:13S011062学生类别:保研考核结果阅卷人第1页（共6页）光折变空间孤子的产生机理及其特性一、光折变空间孤子1孤子概念的提出“孤子”一词，是近代数学和物理学中的一个重要概念。最近三十年来，孤子现象受到人们的大量关注，孤子理论及应用取得了日新月异的进展，如今它已经成为非线性科学领域中的一个重要研究课题。它最早发现及科学记载可追溯到1834年英国科学家Russell对著

2、名的平移波的观察。引用他本人对此描述“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，我正在观察由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少其速度，我骑马跟踪并且追上了它，它仍然以每小时大约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、30英尺长的外形，水波高度渐渐减小，追逐了1~2英里

3、之后，它消失在河道的拐弯处。这就是在1834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。”当时Russell未能成功的证明他的论断，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，荷兰著名数学家Korteweg和deVires研究了浅水波的运动，建立了著名的KdV方程，并且给出了方程的孤立波解，从而解释了Russell观察到的现象，证明了孤立波的存在。1965年，美国著名科学家Kruskal和物理学家Zabusky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

4、发现孤立波在相互作用之后保持各自的波形不变，并且保持能量和动量守恒，这一特点类似于粒子，因此他们将其命名为“孤立子”，简称“孤子”。自孤子概念提出后，孤子理论及应用研究得到了迅猛发展。目前孤子概念及理论已经被广泛应用于物理学、天文学及生物学等各学科中，在流体力学、等离子体物理、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光学孤子20世纪60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，引起了一门新兴学科的发展——非线性光学。光和物质相互作用过程中由

5、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，许多理论己日趋成熟。光孤子概念是由Hasegawa和Tappert于1973年首次提出的，他们预言当光纤的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脉冲宽度保持不变，因此被称为时间光孤子。其研究过程大致可分为四个阶段：1973~1980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；1980~198

6、5年以通信应用为明确目标，着重研究传输理论、能量补偿放大等问题；1985~1988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；1989年以后进入理论与实践纵深发展时期。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，在介质内无衍射向前传播的光束。当一束光在普通介质中传输时，会发生衍射现象而使光束尺寸展宽（图1.1b所示）；在非线性材料中，由于入射光束使材料内部特性（如折射率、吸收率或者其他频率转换等）

7、发生变化，在光强大的地方折射率也变大，在光强弱的地方折射率变化很小，这样在材料内部就形成了一个类似于透镜的折射率分布，从而对光束进行聚焦，称为自聚焦效应（图1.1a）；当自聚焦效应和衍射作用正好抵消时，光束尺寸就不会随传播距离而发生变化，形成了空间孤子（图1.1c）。图1.1空间光孤子形成示意图。实线位光束强度空间包络，虚线为光波波前。（a）光束发生自聚焦；（b）光束发生衍射展宽；（c）孤子传播。3光折变空间孤子空间光孤子最初是在Kerr介质或类Kerr介质中产生的，在Kerr介质中，折射率改变是正比于光束入射

8、光强的，形成空间孤子所要求的功率密度很高（MW/cm2量级），这就限制了它的实际应用。近些年来，人们研究发现在光折变介质中也可以形成空间光孤子。光折变介质在光照情况下，其内部可以被激发出自由电荷，这些自由电荷随光强空间分布而重新分布，进而产生空间电荷场，空间电荷场通过线性电光效应使材料的折射率发生相应的变化，在介质中形成折射率透镜或者波导，所形成的透镜或波导反过来会对光束产生一定的空间