相位調(diào)制高斯光束在強(qiáng)非局域非線(xiàn)性 介質(zhì)中的傳輸特性

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1、相位調(diào)制高斯光束在強(qiáng)非局域非線(xiàn)性介質(zhì)中的傳輸特性利用（1+1)維Snyder-Mitchell模型和空間正弦相位調(diào)制的方法，討論了如何控制髙斯光束在平面波導(dǎo)中的傳輸問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)只要適當(dāng)?shù)剡x擇調(diào)制參數(shù)就可得到穩(wěn)定對(duì)稱(chēng)的三、五和六束子光束的共同傳輸，其獨(dú)特全新的相互作用過(guò)程在光開(kāi)關(guān)、編碼器和分光器上有潛在的應(yīng)用價(jià)值.關(guān)鍵詞：強(qiáng)非局域非線(xiàn)性介質(zhì)，空間相位調(diào)制，空間光孤子相互作用特性，光開(kāi)關(guān)1.引言眾所周知，沒(méi)有開(kāi)關(guān)就沒(méi)有二進(jìn)制，沒(méi)有調(diào)制就沒(méi)有信息，而調(diào)制的基礎(chǔ)仍然是開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)的快慢決定了信息交換的速度.在數(shù)字化、信息

2、化高度發(fā)展的今天，高速率大容量信息交換網(wǎng)絡(luò)對(duì)開(kāi)關(guān)的速度提出了更高更快的要求，而在各種開(kāi)關(guān)中，唯光控光的開(kāi)關(guān)（全光開(kāi)關(guān))方能勝任.一般而言，對(duì)光束的控制方法有3種：機(jī)械式、電子式和全光方式.由于機(jī)械式開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，電子開(kāi)關(guān)又受限于電子的速度瓶頸，而基于克爾介質(zhì)對(duì)光場(chǎng)的非線(xiàn)性響應(yīng)速度的全光開(kāi)關(guān)，其開(kāi)關(guān)速度則可超過(guò)lTHz[n,因此全光開(kāi)關(guān)是當(dāng)前的熱點(diǎn)之一.要實(shí)現(xiàn)光控光開(kāi)關(guān)的必要條件之一是：抽運(yùn)光和信號(hào)光必須以光學(xué)空間孤子傳輸.由于孤子在全光開(kāi)關(guān)、編碼器等方面所有的潛在應(yīng)用價(jià)值，使得孤子的研究在1964年Chi

3、ao等所做的開(kāi)創(chuàng)性工作后，受到相當(dāng)關(guān)注光學(xué)空間孤子是指：激光光束由于衍射所產(chǎn)生的自然展寬可通過(guò)光強(qiáng)與材料的非線(xiàn)性之間的相互作用來(lái)平衡，從而得到無(wú)衍射的能量不擴(kuò)散的穩(wěn)定自導(dǎo)傳輸?shù)墓馐?光學(xué)空間光孤子具有平面波前，因而會(huì)保持其橫截面大小不變地穩(wěn)定傳輸.目前已經(jīng)有大量的光學(xué)空間孤子在不同的體材料中獲得并觀察到[5_7].人們?cè)谠缙诘难芯恐邪l(fā)現(xiàn)局域克爾型光孤子在(1+2)維情況下存在著內(nèi)在的不穩(wěn)定性w,且需要很高的光功率，故從1997年開(kāi)始，對(duì)非局域非線(xiàn)性介質(zhì)中的光學(xué)空間孤子[卜11]進(jìn)行了研究.所謂非局域非線(xiàn)性介質(zhì)

4、,是指介質(zhì)對(duì)光場(chǎng)的非線(xiàn)性響應(yīng)，不僅與該點(diǎn)的光場(chǎng)有關(guān)，而且與空間中其他點(diǎn)的光場(chǎng)有關(guān)[9’1()].材料的空間非局域性起源于物質(zhì)內(nèi)對(duì)光場(chǎng)響應(yīng)的單元（電子、分子或激子等，材料中對(duì)光場(chǎng)響應(yīng)的不同單元對(duì)應(yīng)于不同的非線(xiàn)性機(jī)理的空間相關(guān)性.如果這種相關(guān)性為零，則這種材料是局域性材料.局域非線(xiàn)性介質(zhì)中傳輸?shù)目臻g光孤子是局域空間孤子（克爾孤子）.在理論上SnyderMitchell提出的非局域線(xiàn)性模型W，考在光束束寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料相關(guān)長(zhǎng)度的強(qiáng)非局域條件下，描述傍軸光束在非局域非線(xiàn)性介質(zhì)中傳輸行為的（線(xiàn)性）方程.將非線(xiàn)性問(wèn)題巧妙轉(zhuǎn)

5、化為線(xiàn)性問(wèn)題，這是一個(gè)革命的創(chuàng)舉，并由此發(fā)現(xiàn)了非局域非線(xiàn)性空間光學(xué)孤子.文獻(xiàn)[11]已對(duì)截至2003年底前的非局域空間孤子研究狀況進(jìn)行了總結(jié)和綜述評(píng)論.最近，郭旗小組給出了["’13]從強(qiáng)非局域模型[14]到Snyder-Mitchell模型[9]的轉(zhuǎn)化過(guò)程，討論了（1+1)維平行垂直入射雙孤子其中多（*,2)=￠(x,2)exp(-ihjR0P0z),#(a:,2)是傍軸光束”，k=a>n0/c,at是光頻，c是光速，/1。是材料的線(xiàn)性折射率，戽=(巧匕）"2，？是介質(zhì)常數(shù)（？XhiyeO分別表示聚焦或散焦

6、介質(zhì)），/>。是入射光功率4為徑向坐標(biāo)（光束的傳輸軸），*是一維橫向空間坐標(biāo).方程（1)中的其他兩個(gè)參量札和y分別為[13]：R0=R(0),y=-d2R(x)/dx2L=0(y>0),ftU)是介質(zhì)的非線(xiàn)性響應(yīng)函數(shù).可見(jiàn)和只有一個(gè)依賴(lài)于輸人總功率和介質(zhì)長(zhǎng)度的相位因子差別，因此求出了就等于求出了傍軸光束方程（1)就是所謂的Snyder-Mitchell模型.對(duì)于自聚焦介質(zhì)（7?>0),方程（1)有如下Gauss形式的斜人射單光束精確解[21]:A?y/Toexpdd)ic(:(3)(4)0{z)(5)arct

7、an2i/(yT??U2)是形成孤子的和?則分別由以下3式相互作用時(shí)相位演化及控制問(wèn)題[13]，得到了（1+2)維共面平行垂直人射和不共面對(duì)稱(chēng)斜人射[15]的強(qiáng)非局域空間光孤子對(duì)相互作用問(wèn)題的精確解析解及偏離束腰入射的高斯光束的傳輸特性[16]，給出了(1+1)維和（1+2)維在直角坐標(biāo)系下的Hermite-Gauss解w和（1+2)維柱坐標(biāo)系下的拉蓋爾高斯解[18]，討論了橢圓高斯光束在具有圓對(duì)稱(chēng)響應(yīng)的強(qiáng)非局域介質(zhì)中的傳輸特性和數(shù)值模擬了不同非局域程度下光孤子的傳輸特性W，同時(shí)利用非局域空間光孤子的相互作用

8、特性提出了實(shí)現(xiàn)光子開(kāi)關(guān)、光子邏輯的新理論方案_等.Assanto的小組從理論夂23]和實(shí)驗(yàn)㈤均已證明，向列相液晶（nematicliquidcrystals)是目前唯一發(fā)現(xiàn)的具有強(qiáng)非局域性的非線(xiàn)性介質(zhì).2004年該小組發(fā)表在NatureM上的文章，介紹了用毫瓦量級(jí)的激光不僅能讓一個(gè)單獨(dú)的孤子偏轉(zhuǎn)，而且通過(guò)調(diào)制不穩(wěn)定性還可以對(duì)一列孤子的方向進(jìn)行控制.2005年Assanto的小組利用電光原理在向列液晶