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光折变空间孤子是近年来非线性光学领域的研究热点之一。它的吸引人之处在于其不仅可以在很低的光功率下形成,而且在光开关、光波导、光互联等方面具有广阔的应用前景。光伏空间孤子是一种稳态光折变空间孤子,它不需要外加电场而只依靠光折变晶体的光伏效应就可形成,在全光器件方面具有特别的应用价值。
大量的研究工作表明,光折变晶体内的电荷扩散效应会使光折变空间孤子在传播过程中发生自偏转,而且亮和暗孤子光束会分别转向晶体c轴的不同方向,依赖于晶体是属于电子型还是空穴型。但迄今为止,已有的有关扩散效应对孤子光束传播影响的研究工作都是考虑亮或暗孤子光束在晶体中单独传播的情况,而考虑亮和暗孤子光束在晶体中共同传播的情况还未见报道;另外,已有的研究工作都是考虑孤子光束在单畴晶体中传播的情况,而考虑孤子光束在周期极化晶体中传播的情况也还未见报道。本论文围绕上述问题对光伏空间孤子在扩散效应作用下的偏转特性进行了研究,主要开展了以下两方面的工作:
一方面,研究了单畴光伏光折变晶体中的非相干耦合的亮-暗光伏空间孤子对在扩散效应作用下的偏转特性。通过数值模拟发现,由于非相干相互作用,亮孤子和暗孤子互相捕获,且两个孤子的中心沿着相同的轨迹移动。此外,当亮孤子的入射峰值强度不变时,通过调节暗孤子的入射背景强度可以控制亮孤子的偏转;当暗孤子的入射背景强度处于一个特殊值时,亮孤子的偏转被抑制,而当暗孤子的入射背景强度偏离这个特殊值时,亮孤子发生偏转。同样,当暗孤子的入射背景强度不变时,其偏转可以通过调节亮孤子的入射峰值强度来控制。研究结果对利用光伏空间孤子实现全光开关具有重要的意义。
另一方面,首次提出了扩散管理的概念,分析了周期极化晶体具有扩散管理功能的物理机制,研究了周期极化光伏光折变晶体中的亮光伏空间孤子在受到管理的扩散效应作用下的自偏转。通过数值模拟发现,采用改变晶体周期极化结构的方法可以管理晶体中的扩散效应。同时还发现,当晶体具有一个恰当的周期极化结构时,由扩散效应所引起的孤子光束自偏转可以被有效地抑制。此时,亮孤子光束沿着一条垂直于晶体入射面的直线周期性波动,而且尽管具有不同峰值强度的孤子光束沿着不同的轨迹传播,但是它们在晶体出射面上具有相同的位置。这有利于孤子光束的探测和接收。另外,采用微扰法求得扩散效应使亮孤子光束产生的横向加速度的表达式,然后在此基础上建立了描述亮孤子光束在周期极化晶体中的横向位移的递推函数,并将由递推函数所得的结果与数值模拟所得的结果进行了对比,发现两者具有非常好的一致性。