超常介質(zhì)中時空電磁孤子的形成及傳輸特性研究.pdf

1、孤子是自然界中一個非常普遍又非常重要的非線性現(xiàn)象，它的形成是線性和非線性效應(yīng)平衡的結(jié)果。光學(xué)或電磁孤子在光通信、光計算、全光信息處理等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。最近幾年發(fā)展起來的一種新型人工電磁材料即超常介質(zhì)，具有許多自然材料所不具備的獨特的線性和非線性電磁特性，意味著它蘊含著大量的孤子現(xiàn)象和物理；同時，超常介質(zhì)的電磁特性可以人為設(shè)計，為主動操控孤子提供了條件與手段。本論文基于傳統(tǒng)的孤子基本理論和處理方法，結(jié)合超常介質(zhì)的新特性，研究超常介

2、質(zhì)中時空電磁孤子的形成及其傳輸特性，試圖揭示超常介質(zhì)中新的孤子現(xiàn)象，并根據(jù)超常介質(zhì)的可控性探索主動操控孤子的原理和方案。研究結(jié)果不僅豐富和發(fā)展了孤子理論，而且為發(fā)展基于超常介質(zhì)的相關(guān)光子器件和光控光技術(shù)奠定理論基礎(chǔ)。取得主要結(jié)果如下：
　　 第一，首次調(diào)查了非線性超常介質(zhì)中時空電磁孤子的形成及脈沖分裂機(jī)理。
　　 理論分析表明，時空電磁孤子不但可以在正折射區(qū)域自聚焦非線性介質(zhì)反常群速度色散情形下形成,而且可以在負(fù)折射區(qū)域

3、自散焦非線性介質(zhì)正常色散情形下形成。超常介質(zhì)這種高維孤子形成的反常現(xiàn)象沖破了人們對傳統(tǒng)孤子概念的認(rèn)識。
　　 特別是通過調(diào)控超常材料結(jié)構(gòu)尺寸能夠人為控制介質(zhì)的色散、衍射與非線性三者之間的平衡，從而主動創(chuàng)造了在常規(guī)光學(xué)介質(zhì)中很難實現(xiàn)時空電磁孤子形成的物理環(huán)境。此外我們研究發(fā)現(xiàn)，在負(fù)折射區(qū)域反常群速度色散情形下，對于自聚焦非線性介質(zhì)，環(huán)型光束形成與時域脈沖壓縮現(xiàn)象將發(fā)生；而對于自散焦非線性介質(zhì)，時空電磁脈沖將發(fā)生時域上脈沖分裂與空域

4、上光束聚焦現(xiàn)象。最后，本文還討論了超常介質(zhì)非線性符號的可控性及其對時空電磁脈沖傳輸?shù)挠绊?。研究表明，由于額外磁非線性效應(yīng)的作用，通過調(diào)控電等離子頻率與磁等離子頻率的比率相對大小可以人為控制介質(zhì)的有效非線性符號，這為操控電磁脈沖傳輸提供一種新的自由度。
　　 第二，研究了超常介質(zhì)中色散磁導(dǎo)率所導(dǎo)致的高階非線性色散對時空電磁脈沖分裂的影響，著重分析其不同于常規(guī)介質(zhì)的反常特性。眾所周知，超常介質(zhì)具有不同于常規(guī)介質(zhì)的色散磁導(dǎo)率，從而導(dǎo)致

5、前者所對應(yīng)的非線性傳輸模型中出現(xiàn)可正可負(fù)自陡，以及一系列高階非線性色散。近年來，隨著超強超短脈沖光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)能夠獲得脈寬可與載波震蕩周期相比擬的超強超短光脈沖，因此這些高階非線性色散必將對超常介質(zhì)中時空電磁脈沖傳輸產(chǎn)生重要影響。研究結(jié)果表明，與常規(guī)介質(zhì)情形一樣，超常介質(zhì)中正的自陡仍然會引脈沖分裂非對稱，但與前者不同的是后者會引起脈沖分裂后其較大振幅出現(xiàn)在脈沖的后沿，較小振幅出現(xiàn)在脈沖前沿，而負(fù)的自陡對脈沖分裂的影響剛好與正的自陡

6、作用相反。此外，本文分析了常規(guī)介質(zhì)中不曾出現(xiàn)的二階非線性色散對脈沖分裂的影響。研究結(jié)果表明，與自陡不同的是二階非線性色散將導(dǎo)致脈沖對稱分裂，且正的二階非線性色散會加速脈沖的展寬，而負(fù)的二階非線性色散會抑制脈沖的展寬。這項工作對超短脈沖產(chǎn)生與孤子形成具有十分重要的意義
　　 最后，系統(tǒng)研究了非線性超常介質(zhì)中的調(diào)制不穩(wěn)定性現(xiàn)象，揭示了若干新的不穩(wěn)定性現(xiàn)象。。由于負(fù)的折射率作用，超常介質(zhì)空間與時空不穩(wěn)定性形成條件與對應(yīng)常規(guī)介質(zhì)情形相反

7、，而時間不穩(wěn)定性形成條件與常規(guī)介質(zhì)情形相同。此外，本文得到了色散磁導(dǎo)率所導(dǎo)致的任意高階非線性色散對不穩(wěn)定性的影響的一般性規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，與對應(yīng)的偶次線性色散一樣，所有偶次非線性色散將不但會影響原來的不穩(wěn)定性，而且可能會導(dǎo)致新的不穩(wěn)定性區(qū)域。而與對應(yīng)的齊次線性色散不同是所有的齊次非線性色散將始終抑制調(diào)制不穩(wěn)定性，且與其符號的正負(fù)無關(guān)。為了驗證我們所得的一般性結(jié)論，本文以自陡與二階非線性色散為例，詳細(xì)討論兩者對時間與時空不穩(wěn)定性的影響。特別