非局域空间光孤子相互作用的研究进展

时间:2022-05-10 11:09:33

非局域空间光孤子相互作用的研究进展

【摘 要】综述了近些年来光束在非局域非线性介质中相互作用的研究进展。研究发现功率、孤子间距、孤子束宽、非局域程度、相位、外置偏压等因素对孤子的相互作用均会产生影响,最后提出一些不足之处与研究展望,可为实现光路由、全光开关以及光逻辑门等提供可行性的参考。

【关键词】非局域非线性;空间光孤子;向列相液晶;相互作用

0 引言

空间非局域性指的是介质中某点对光场的响应与该点及其周围的光场有关,即该位置的折射率的改变与该点和周围的光强共同决定。根据介质响应函数的特征宽度和光束宽度的相对大小可决定非局域性的强弱,通常把非局域程度划分为强非局域,亚强非局域,弱非局域等。非局域空间光孤子是存在于空间非局域非线性介质中的光孤子。空间光束在非线性介质中传输时会由于衍射效应而发散,然而介质的非线性效应又会对光束产生汇聚的作用,当衍射效应与非线性效应达到平衡时,光束便会在非局域非线性介质中形成一种自陷或自导的稳定传输状态的现象,即非局域空间光孤子。在非局域空间光孤子的潜在应用中,无论是光开关、光网络还是光计算机等,均会涉及到光束与光束间的相互作用,因此研究非局域空间光孤子的相互作用具有一定的现实意义[1-9]。本文主要概述了近些年来非局域空间光孤子相互作用的研究进展。

1 研究进展

1997年,在非局域空间光孤子理论中,Snyder-Mitchell模型是一个特殊的模型,它是超强非局域的特殊情况,由于此模型是一个线性模型,具有线性叠加的性质,只要知道单个孤子解就可以知道相互作用的解,要求是它们的总功率是单孤子的功率[1],Snyder-Mitchell模型下非局域孤子的一个突出的性质是反相孤子的互相吸引,而且任何相位差的孤子都是吸引的;这是在局域情况中所没有的,相位对局域孤子有很大的影响,而反相局域孤子是相互排斥的。

在Snyder和Mitchell的工作之后,有关非局域孤子的理论不断取得进展。人们在非局域空间光孤子相互作用方面发现了更加丰富的物理内容,表现形式多种多样,例如孤子光束的分裂,两束光的聚合以及相互排斥,(1+2)维孤子的DNA螺旋式缠绕共同传输,还有相位对孤子相互作用的影响等等,并且发现在非局域程度没有那么强的情况下,存在了一个临界的非局域程度使得反相孤子能够相互吸引。

在具体的材料中,首先是M.Peccianti[2]等在实验上研究了向列相液晶中非局域孤子的相互作用;2005年,Ku等从理论和实验上都证明了孤子间的相干性会对孤子间的相互作用产生影响。因此,相干系数是高于还是低于阈值决定了两个反相孤子相互吸引或是排斥。基于(1+1)维的向列相液晶模型,Rasmussen等[3]在理论上研究了向列子的相互作用,即存在一个临界非局域系数,高于此系数两个反相孤子也会相互吸引。

2006年,Rotschild等[4]在铅玻璃中研究了非局域孤子的长程相互作用,发现在孤子间距为孤子光束10倍以上时双孤子依然存在明显的相互作用;胡巍、郭旗等[5]人在实验上研究了通过电压可以控制向列相液晶中空间光孤子的相互作用,他们发现当超过某个临界非局域程度时,两个反相孤子会由相互排斥变成相互吸引。

2008年,胡巍、欧阳世根等[6]发现非局域空间光孤子短程相互作用的的有趣现象,在双孤子间距很小时,双孤子会融合在一起共同传输,而相位差使得它们以不同的角度偏转直线传输。同年,胡巍小组的成员对光束在向列相液晶中的传输进行了研究,在实验中得到了输入功率、临界功率以及孤子间距对相互作用的影响。

2009年,陆大全等[7]在理论上对强非局域非线性介质中多光束的相互作用进行了研究;同时,曹龙贵等[8]在理论和实验上对向列相液晶中空间光孤子的长程相互进行了研究,发现当孤子间距为初始束宽的43倍时仍然可以看到其相互作用,而这个间距远大于铅玻璃中的孤子相互作用的间距。

2015年,胡巍小组[9]在理论和实验上研究了向列相液晶中空间光孤子一般间距时的相互作用,分别分析了相位以及外置偏压对相互作用的影响。

综上所述,相位、介质、输入功率、临界功率、孤子间距、非局域程度、外置偏压等因素均影响着非局域空间光孤子的相互作用。

2 结语

以上主要针对某些特定材料中双孤子的相互作用做了一些阐述,实际应用中光束传输的材料有很多种,所以上述概述并不全面。并且在之前的研究中,大多数情况都是在不考虑边界条件时进行的,而很多实际情况中边界条件却不容忽视,且这些情况下的应用价值可能更大,所以对空间光孤子相互作用的研究工作还有待进一步深入。

【参考文献】

[1]A. W. Snyder, D. J. Mitchell, Accessible solitons[J]. Science, 1997, 276(6): 1538-1541.

[2]M.Peccianti, K.A.Brzdakiewicz, G.Assanto. Nonlocal spatial soliton interactions in nematic liquid crystals[J]. Opt. Lett. 2002, 27(16): 1460-1462.

[3]P.D.Rasmussen, O.Bang, and W.Krolikowski. Theory of nonlocal soliton interaction in nematic liquid crystals[J]. Phys. Rev. E, 2005, 72(10): 066611.

[4]C.Rotschild, B.Alfassi, O.Cohen and M.Segev. Long-range interactions between optical solitons[J]. Nature Physics, 2006, 2 (10): 769-774.

[5]W. Hu,T. Zhang,Q. Guo,et al.. Nonlocality-controlled interaction of spatial soliton in nematic liquid crystals[J]. Appl Phys Lett, 2006, 89(7): 071111.

[6]W. Hu,S. G. Ouyang,P. B. Yang,et al.. Short-range interactions between strongly nonlocal spatial solitons[J]. Phys Rev A, 2008, 77(3): 033842.

[7]D.Q.Lu, W. Hu.Theory of multibeam interactions in strongly nonlocal nonlinear media[J]. Phys.Rev.A, 2009, 80(5): 053818.

[8]L.G.Cao,Y.J.Zheng,W.Hu,et al.. Long-Range Interactions between Nematicons [J]. Chin Phys Lett, 2009, 26(6): 064209.

[9]朱叶青,胡巍.非局域空间光孤子相互作用的相关影响因素[J].光学学报,2015,35(8):0819001.

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