光折变耗散系统中空间光孤子的演化特性及实验观测

论文摘要

光折变空间光孤子是指在光折变介质中保持形状、幅度不变,无衍射向前传播的光束。在光信息技术、集成光学、光信息处理以及光通信等领域有着广阔的应用前景。随着材料技术的不断发展,易于集成的半导体、薄膜、液晶等非线性材料为光折变空间孤子提供了宽广的舞台。耗散全息空间光孤子,作为一种新型的空间光孤子,具有其独特的优越性,越来越备受人们关注。本论文主要从理论上比较全面的探讨了耗散全息孤子的演化(包括偏转)特性,并在光折变耗散晶体和咔唑光折变薄膜中分别观测到了耗散全息光伏明孤子。从光折变动力学方程出发,理论上分析了光折变材料中的空间电荷场的建立及折射率调制的过程,分别讨论了自相位调制自聚焦机制形成的空间孤子和非线性相位耦合全息聚焦机制形成的空间孤子理论模型。通常把基于双光束耦合起因于全息聚焦机制形成的空间孤子称为全息孤子,根据全息孤子在形成过程中两光束间是否发生非对称的能量转移,可分为哈密顿全息孤子和耗散全息孤子。在耗散全息孤子理论模型中,一束光输出能量给另一束光,输出能量的光束为抽运光,能量流入的光束为信号光,在小信号近似下,抽运光光强可视为常数,并可忽略其演化。通过数值模拟方法研究了耗散全息光孤子的演化和偏转特性;全面探讨了系统参数对耗散全息孤子传播的影响,并考察了其稳定性。结果表明:耗散全息孤子能在光折变耗散系统中以稳定的孤子态沿直线传播,当考虑扩散项影响后,其中心在传播过程中偏离初始位置,近似沿抛物线轨迹偏转,偏转量的大小完全取决于系统参数;理论微扰法的结果进一步证实了数值计算结果的正确性。耗散全息空间孤子的演化和偏转对系统温度具有依赖性,其中心偏转距离随温度增加而增加。耗散全息孤子对微小的温度漂移具有抵抗性,能稳定传播,当温度偏离不太大时,入射的耗散全息孤子呈现出周期性的压缩和膨胀过程,当温度变化足够大时,入射样本孤子不能演化成稳定的孤子态。系统各参数对其演化和稳定性的影响与温度变化引起的影响类似,增大外加电场、光伏电场、两光束间夹角,或减小系统损耗、两光束偏振方向间的夹角等,入射的样本孤子处于“过增益”状态,其光强增加,宽度变窄,可实现光中继放大;反之则相反,样本孤子处于“过损耗”状态,其光强变弱,或被完全吸收,可实现光开关;有些参数变化带来的影响还会使其“分叉”,可用于光互连。总之,耗散全息孤子对细小的微扰具有稳定性,系统参数对耗散全息孤子的传播(包括偏转)有影响,可通过调节参数控制来调节其演化和偏转。采用顶侧面观测法和计算机软件处理技术,在KNSBN中观测到了哈密顿光伏明孤子,并证实了入射光及背景光强度对其演化的影响。在无外加电场的Cu:KNSBN晶体中,通过双光束耦合实验,观测到了耗散全息光伏明孤子,也验证了系统参数对其演化的影响。同时,对无偏压的咔唑光折变薄膜进行了双光束耦合实验、观察到了该薄膜对632.8nm光波具有全息聚焦效应。在此基础上,在无外加电场的咔唑光折变薄膜中观测到了耗散全息光伏明孤子,我们也在实验中发现了系统参数对耗散全息光伏明孤子的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光学孤子
• 1.3 光折变效应机制和光折变空间孤子
• 1.4 光折变空间孤子的研究进展
• 1.5 两波耦合光折变耗散系统中的空间光孤子
• 1.6 本文研究的主要内容和论文结构
• 2 光折变空间光孤子基本理论
• 2.1 光折变效应动力学方程
• 2.2 空间电荷场及光栅的形成机制
• 2.3 两波耦合理论
• 2.4 麦克斯韦方程对两波耦合过程的理论解释
• 2.5 耗散全息孤子基本理论
• 2.6 光折变耗散系统中的耗散全息孤子
• 2.7 开路耗散光伏晶体中的耗散全息光伏孤子
• 2.8 光折变耗散系统中的耗散全息屏蔽孤子的存在及其特性
• 2.9 加外电场的光伏光折变晶体中的耗散全息屏蔽-光伏孤子
• 2.10 本章小结
• 3 耗散全息孤子的演化和偏转特性
• 3.1 扩散效应和两波耦合增益
• 3.2 耦合方程在小信号条件下与小信号方程等价
• 3.3 耗散全息光伏明孤子的偏转
• 3.4 耗散全息屏蔽光伏明孤子的形成
• 3.5 耗散全息屏蔽光伏明孤子偏转的数值模拟
• 3.6 耗散全息明孤子偏转的微扰解法
• 3.7 本章小结
• 4 耗散全息屏蔽光伏孤子的温度特性
• 4.1 耗散全息屏蔽光伏孤子理论模型
• 4.2 耗散全息屏蔽光伏孤子演化的温度特性
• 4.3 耗散全息孤子偏转的温度特性
• 4.4 本章小节
• 5 系统参数对耗散全息孤子演化的影响
• 5.1 系统参数对耗散全息明孤子传播演化的影响
• 5.2 耗散全息屏蔽光伏暗孤子的演化和稳定性
• 5.3 系统参数对耗散全息暗孤子的演化和稳定性的影响
• 5.4 抽运光的调制不稳性
• 5.5 本章小结
• 6 匹配高斯光束在耗散晶体中的孤波演化及偏转特性
• 6.1 匹配高斯光束的基本理论
• 6.2 小信号方程与耦合方程的等价性
• 6.3 匹配高斯光束与耗散全息屏蔽光伏明孤子的演化
• 6.4 匹配高斯光束与耗散全息明孤子的偏转
• 6.5 本章小结
• 7 光折变晶体中空间光孤子的实验观测
• 7.1 哈密顿系统中光伏明孤子的实验观测
• 7.2 信号光和背景光强度对哈密顿孤子的影响
• 7.3 耗散全息光伏明孤子的实验观测
• 7.4 二维耗散全息光伏明孤子的观测
• 7.5 系统参数对耗散全息孤子演化影响的实验检验
• 7.6 本章小结
• 8 咔唑光折变薄膜中耗散全息明孤子的实验研究
• 8.1 无偏压下咔唑光折变薄膜中的全息聚焦效应
• 8.2 一维耗散全息光伏明孤子的实验观测
• 8.3 本章小结
• 9 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表的学术论文
• 附录2 在读期间参加的主要科研项目