光力链系统中的孤子

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非线性科学是近半个世纪以来快速发展的一门学科。它不仅深刻的影响了我们对自然界的认识,也对现代科技的发展起到了推动性的作用。最近这几十年,一类研究光声通过辐射压力耦合的系统—光力系统引起了广泛的关注。它独特的光力非线性已经显示了丰富的物理内涵,并且引起了广泛的运用。在本文中,我们研究了光场在光力链系统中的传播行为,包括其自局域现象和调制不稳定性。我们不仅讨论了光力非线性与Kerr非线性的关系,还研究了光场在光力非线性下的独特的行为。主要的内容为1,我们推导出光场在光力链系统中的动力学演化方程。我们用两种方法证明光力链系统中存在孤子。一是用行波法得到精确的孤子解。二是用解析近似的方法得到了光力非线性与Kerr非线性的关系,即在系统的特征变化远小于力学模式的本征频率时,光场的动力学演化可近似的用非线性薛定谔方程来描述,我们还利用数值模拟的方法对这些结论进行了有效的验证。需要指出的是,我们这里发现的孤子来源于一个新的机制,即光声耦合,并且它可以显示很低的群速度。2,我们研究了光力链系统中的调制不稳定现象。我们发现在光力非线性下,系统的调制不稳定性出现非常独特的性质。首先,系统在正常色散下也存在调制不稳定性,并且这种调制不稳定性为振动不稳定性。其次,光力非线性下的连续情形和离散情形具有本质的区别。在连续情形下,调制不稳定性在正常色散时的存在与否与系统的参数条件无关;而在离散情形时,调制不稳定性的产生需要一定的条件,具体来说,只有当系统的背景强度强于一个特定值时才会产生调制不稳定性。最后,我们讨论了声子色散对调制不稳定性的影响,我们发现声子色散的作用在某种程度上可以看成对光子色散的一个修正。同号时是一个增大的作用,异号则是一个减小的作用。这也导致了一个非常有意思的现象,即在光子色散弱于声子色散且异号时,即使在连续情形下,调制不稳定性在正常色散时的产生也需要一个最低的背景强度。3,我们最后讨论了光力非线性下的离散孤子及其线性稳定性。我们发现在单脉冲情形时,光力非线性的离散孤子与Kerr非线性的一致,,但他们的线性稳定性质有很大的不同。一是克尔非线性下稳定的on-site模式在光力非线性时变得不再稳定。二是对于不稳定的inter-site模式,系统在力学模式的本征频率很大的情形时不稳定性增长率与克尔非线性时一致,而在力学模式的本征频率很小时不稳定增长率与力学模式的本征频率呈幂指数的关系。另外在最简单的一类离散光力链系统中,即双光力系统中,我们发现了局域态和传输态相互转换的现象,并且这种转换对参数极其敏感。总之,本文证明了在光力链系统中存在孤子,这种孤子来源于一个新的机制,光声耦合,即光力非线性。我们不仅给出了光力非线性与Kerr非线性的联系,并且研究了光力非线性下的一系列独特的性质,包括正常色散下的振动调制不稳定性,光力非线性连续介质与离散介质本质的不同,声子色散的调制作用,以及离散孤子的稳定性质,双光力系统的动力学行为。我们的工作不仅拓宽了光力系统的研究范围,也给非线性光学和孤子领域提供了一个新的研究方向。并且由于光力链系统中的孤子具有极慢的群速度,本文的研究可能在全光开关和芯片化器件中有一定的应用。
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