相位调制高斯光束在强非局域非线性 介质中的传输特性

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1、相位调制高斯光束在强非局域非线性介质中的传输特性利用（1+1)维Snyder-Mitchell模型和空间正弦相位调制的方法，讨论了如何控制髙斯光束在平面波导中的传输问题，发现只要适当地选择调制参数就可得到稳定对称的三、五和六束子光束的共同传输，其独特全新的相互作用过程在光开关、编码器和分光器上有潜在的应用价值.关键词：强非局域非线性介质，空间相位调制，空间光孤子相互作用特性，光开关1.引言众所周知，没有开关就没有二进制，没有调制就没有信息，而调制的基础仍然是开关，开关的快慢决定了信息交换的速度.在数字化、信息

2、化高度发展的今天，高速率大容量信息交换网络对开关的速度提出了更高更快的要求，而在各种开关中，唯光控光的开关（全光开关)方能胜任.一般而言，对光束的控制方法有3种：机械式、电子式和全光方式.由于机械式开关结构过于复杂，电子开关又受限于电子的速度瓶颈，而基于克尔介质对光场的非线性响应速度的全光开关，其开关速度则可超过lTHz[n,因此全光开关是当前的热点之一.要实现光控光开关的必要条件之一是：抽运光和信号光必须以光学空间孤子传输.由于孤子在全光开关、编码器等方面所有的潜在应用价值，使得孤子的研究在1964年Chi

3、ao等所做的开创性工作后，受到相当关注光学空间孤子是指：激光光束由于衍射所产生的自然展宽可通过光强与材料的非线性之间的相互作用来平衡，从而得到无衍射的能量不扩散的稳定自导传输的光束.光学空间光孤子具有平面波前，因而会保持其横截面大小不变地稳定传输.目前已经有大量的光学空间孤子在不同的体材料中获得并观察到[5_7].人们在早期的研究中发现局域克尔型光孤子在(1+2)维情况下存在着内在的不稳定性w,且需要很高的光功率，故从1997年开始，对非局域非线性介质中的光学空间孤子[卜11]进行了研究.所谓非局域非线性介质

4、,是指介质对光场的非线性响应，不仅与该点的光场有关，而且与空间中其他点的光场有关[9’1()].材料的空间非局域性起源于物质内对光场响应的单元（电子、分子或激子等，材料中对光场响应的不同单元对应于不同的非线性机理的空间相关性.如果这种相关性为零，则这种材料是局域性材料.局域非线性介质中传输的空间光孤子是局域空间孤子（克尔孤子）.在理论上SnyderMitchell提出的非局域线性模型W，考在光束束宽远远小于材料相关长度的强非局域条件下，描述傍轴光束在非局域非线性介质中传输行为的（线性）方程.将非线性问题巧妙转

5、化为线性问题，这是一个革命的创举，并由此发现了非局域非线性空间光学孤子.文献[11]已对截至2003年底前的非局域空间孤子研究状况进行了总结和综述评论.最近，郭旗小组给出了["’13]从强非局域模型[14]到Snyder-Mitchell模型[9]的转化过程，讨论了（1+1)维平行垂直入射双孤子其中多（*,2)=¢(x,2)exp(-ihjR0P0z),#(a:,2)是傍轴光束”，k=a>n0/c,at是光频，c是光速，/1。是材料的线性折射率，戽=(巧匕）"2，？是介质常数（？XhiyeO分别表示聚焦或散焦

6、介质），/>。是入射光功率4为径向坐标（光束的传输轴），*是一维横向空间坐标.方程（1)中的其他两个参量札和y分别为[13]：R0=R(0),y=-d2R(x)/dx2L=0(y>0),ftU)是介质的非线性响应函数.可见和只有一个依赖于输人总功率和介质长度的相位因子差别，因此求出了就等于求出了傍轴光束方程（1)就是所谓的Snyder-Mitchell模型.对于自聚焦介质（7?>0),方程（1)有如下Gauss形式的斜人射单光束精确解[21]:A„y/Toexpdd)ic(:(3)(4)0{z)(5)arct

7、an2i/(yT««U2)是形成孤子的和〜则分别由以下3式相互作用时相位演化及控制问题[13]，得到了（1+2)维共面平行垂直人射和不共面对称斜人射[15]的强非局域空间光孤子对相互作用问题的精确解析解及偏离束腰入射的高斯光束的传输特性[16]，给出了(1+1)维和（1+2)维在直角坐标系下的Hermite-Gauss解w和（1+2)维柱坐标系下的拉盖尔高斯解[18]，讨论了椭圆高斯光束在具有圆对称响应的强非局域介质中的传输特性和数值模拟了不同非局域程度下光孤子的传输特性W，同时利用非局域空间光孤子的相互作用

8、特性提出了实现光子开关、光子逻辑的新理论方案_等.Assanto的小组从理论夂23]和实验㈤均已证明，向列相液晶（nematicliquidcrystals)是目前唯一发现的具有强非局域性的非线性介质.2004年该小组发表在NatureM上的文章，介绍了用毫瓦量级的激光不仅能让一个单独的孤子偏转，而且通过调制不稳定性还可以对一列孤子的方向进行控制.2005年Assanto的小组利用电光原理在向列液晶