文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
光折变晶体中二波耦合的横向效应和独立空间孤子对研究
姓名:蔡欣
申请学位级别:博士
专业:物理电子学
指导教师:刘劲松
2010-08-20
摘要
在光辐照下,光折变材料的折射率随光强的空间分布会发生变化,这种现象称之
为光折变效应。光折变二波耦合是光折变晶体最基本最重要的一种非线性波耦合作
用,也是研究光折变效应的基本现象。光折变二波耦合理论是光折变晶体光放大和光
全息存储应用的依据,因此对二波耦合的研究,可以认知晶体的很多光折变性能,以
及实现相应的功能应用。在光折变介质中如果光束能保持形状、幅度不变的无衍射向
前传播,则这种光束就称之为光折变空间孤子。光折变空间孤子在光信息技术、光电
通信等领域中有着广阔的应用前景,根据光折变空间孤子形成过程中是否考虑晶体或
系统的吸收或放大作用,光折变空间孤子可以分为哈密顿空间孤子和耗散全息空间孤
子。本论文主要从理论上讨论了光折变晶体中二波耦合的横向效应、光折变哈密顿空
间孤子和光折变耗散全息空间孤子的演化偏转特性、串连晶体回路中独立空间全息—
哈密顿孤子对和独立空间全息孤子对及其相互作用。
从光折变二波耦合理论出发,理论上分析了光折变晶体和光伏光折变晶体中两束
高斯光束耦合的过程,讨论了在不同的系统参数下经过二波耦合作用后的信号光和泵
浦光的峰值光强与半高全宽的动态演化过程。在光折变晶体中,调节外加偏置电场、
泵浦光光强、泵浦光宽度等参数可以实现对信号光被吸收或被放大的控制;在无偏压
的光伏光折变晶体中,泵浦光光强越大、泵浦光与信号光之间的夹角越大,信号光的
自聚焦效应越明显。采用顶侧面观测法,实验研究了光伏光折变晶体中二波耦合的横
向效应,验证了数值计算的结果。
基于光折变效应的物理过程,以光折变动力学方程为基础,推导了哈密顿空间光
孤子的理论模型,给出了屏蔽光伏明、暗孤子的数值积分表达式;以光折变二波耦合
和全息聚焦理论为基础,推导了耗散全息空间光孤子的理论模型,给出了小信号近似
下全息屏蔽光伏明、暗孤子的解析解,并讨论了这两种孤子的特性及区别。利用数值
模拟方法,从理论上研究了光折变材料中的哈密顿空间光孤子和耗散全息空间光孤子
的演化以及偏转特性。结果表明,哈密顿空间光孤子和耗散全息空间光孤子都能够在
晶体中稳定传播;当考虑到晶体扩散项影响后,哈密顿孤子和耗散全息孤子在晶体中
I
传播时都将沿一条抛物线轨迹发生偏转,明暗孤子有不同的偏转特性,哈密顿孤子中
心的偏转距离与外电场和孤子波的初始条件有关,耗散全息孤子中心的偏转距离与外
电场和泵浦光与信号光之间的夹角有关。
从理论上预言了串连光折变晶体回路中可以形成独立空间全息—哈密顿孤子对,
共有明—明、明—暗(全息明孤子—哈密顿暗孤子)、暗—明(全息暗孤子—哈密顿
明孤子)、明—明四种类型。当晶体尺度远大于入射光束的空间宽度时,哈密顿暗孤
子可以影响到孤子对中的另一个孤子,而哈密顿明孤子和全息孤子则无此性质。根
据孤子对之间相互作用,利用数值模拟的方法详细分析了暗-暗孤子对中,当改变哈
密顿暗孤子入射强度时,全息暗孤子传播特性和偏转特性随之变化的情况。
最后理论研究了形成于有外加电源的串连光折变晶体回路中的独立空间全息孤
子对及其相互作用。独立空间全息孤子对共有三种类型:明—明、明—暗和暗—暗,
当改变任一晶体中入射的泵浦光光强时,不仅其自身形成的全息孤子形状会发生变
化,另一晶体中形成的全息孤子特性也会受到影响,也就是说三种孤子对之间都存在
着相互作用。
关键词:光折变效应二波耦合横向效应哈密顿空间光孤子
耗散全息空间光孤子孤子对
II
Abstract
The photorefractive (PR) effect is a phenomenon in which the local index of refraction
of a medium is changed by the illumination of a beam of light with spatial variation of the
intensity. The PR two-wave mixing is the most fundamental and important kind of
nonlinear wave mixing effects and it is a basic phenomena to study PR effect. The theory of
the PR two-wa