线性和二次电光效应共存的光折变介质中的空间孤子

摘要

由于在很低的入射光强下即可产生及其重要的潜在应用价值，使得光折变空间光孤子已经成为非线性光学领域的热点问题，并在理论和实验两方面取得了极大的研究进展。人们对基于线性电光效应或二次电光效应的光折变空间光孤子进行了广泛的研究。但最近几年中，人们相继发现某些非中心对称的光折变晶体，如[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3](1-x)-(PbTiO3)x(PMN-xPT)晶体、KTa1-xNbxO3(KTN)晶体及LiNbO3等晶体处于其相变温度附近时具有较大的电光效应，此时线性和二次电光效应可同时存在于晶体内部，进而折射率变化要同时受到这两种电光效应的调制。本论文将对线性和二次电光效应共存的光折变介质中的空间光孤子进行系统的理论研究。
　　利用描述单光子光折变效应的带输运模型及双光子光折变效应的Castro-Camus模型，推导出了在有外加电场条件下的线性和二次电光效应共存的光折变介质中入射光的光场方程，理论预言了暗、亮及灰孤子的存在，并得到了其积分形式的空间孤子解。给出了小振幅情况下空间孤子的光场方程、解析解及孤子宽度的显式表达式，讨论了孤子宽度与外加电场的关系。结果表明，这些空间光孤子的形成依赖于线性和二次电光效应的共同作用，这两种电光效应间的相互影响对空间孤子的形成及性质有决定性的作用。当线性和二次电光效应相互促进时光折变效应增强，此时有利于空间光孤子的形成；当二者相互减弱甚至抵消时光折变效应被减弱，将给空间光孤子的形成带来不利影响。
　　研究了线性和二次电光效应共存的单光子及双光子光折变晶体中两个或多个空间光孤子间的非相干耦合。证实了非相干耦合的暗-暗、亮-亮、灰-灰及暗-亮孤子对(族)的存在。且当非相干耦合孤子对中两孤子分量的总光强远远小于暗辐射和背景光的强度之和时，在线性和二次电光效应共存的单光子及双光子光折变晶体中可以形成暗-暗、亮-亮及暗-亮Manakov孤子对。
　　利用光束传输法对空间光孤子及非相干耦合孤子对(族)的传输稳定性进行了分析。发现亮孤子的空间传输是稳定的，即使在存在一定微扰的情况下，入射光经过较短的传输距离就可以自修定其波形并转化成了一束新的孤子波；而暗孤子是不稳定的，极小的扰动就可以使暗孤子在空间传输过程中衍射发散。
　　分别运用光束传输法和微扰分析法研究了由扩散场引起的亮孤子在空间传输过程中的自转向效应。结果表明，在扩散场的作用下，亮孤子的中心轨迹近似为一条抛物线，而孤子光束中心波矢和传播方向之间的角度偏转量随传播距离线性变化，横向和角度偏转量均与外加电场呈三次函数关系。
　　研究了温度对线性和二次电光效应共存的单光子光折变晶体中亮空间光孤子在传输稳定性、孤子光强的空间分布、自转向效应等方面的影响。讨论了扩散项、暗辐射强度和相对介电常数等物理量在影响亮空间光孤子性质方面所起的作用。结果表明，当温度在参考温度T0附近比较小的范围内变化时，入射光束能够转化成晶体中可支持的新孤子波，而当温度偏离T0较远时，入射光波在介质中不能稳定传播。亮孤子束的光强峰值随温度增大而单调递减，但孤子宽度随温度的变化关系还与初始光强峰值r0有关。在相变温度附近的温度范围内，介质内暗辐射强度的温度依赖性在亮孤子自转向过程中占据主导地位。温度继续升高时，介电常数及扩散项对转向过程中的偏移量所起的作用随之增大，当温度趋于介质的居里温度，即 CT→T时，相对介电常数将在自转向过程中起主要作用。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2基于线性电光效应的光折变空间孤子的研究进展

1.3基于二次电光效应的光折变空间孤子的研究进展

1.4本论文的主要研究内容

第2章 线性和二次电光效应共存的单光子光折变空间孤子

2.1 引言

2.2空间孤子的光场方程

2.3 空间孤子解

2.4 亮空间孤子的自转向效应

2.5 本章小结

第3章 线性和二次电光效应共存的双光子光折变空间孤子

3.1 引言

3.2双光子光折变情况下空间孤子的光场方程

3.3 双光子光折变情况下的空间孤子解

3.4 双光子光折变情况下亮空间孤子的自转向效应

3.5 本章小结

第4章 基于线性和二次电光效应的光折变孤子间的非相干耦合

4.1 引言

4.2 单光子光折变情况下空间孤子间的非相干耦合

4.3 双光子光折变情况下空间孤子间的非相干耦合

4.5 本章小结

第5章 基于线性和二次电光效应的单光子光折变亮孤子的温度特性

5.1 引言

5.2 理论模型

5.3 温度对亮孤子传输稳定性的影响

5.4温度对亮孤子光强的影响

5.5温度对亮孤子自转向效应的影响

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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