超常介質中的空間孤子對及調制不穩(wěn)定性研究.pdf

1、光是一種電磁波，是信息傳播的終極載體，通常由電場和磁場兩個分量來描述它的性質。然而，從某種意義上來講，光只有“一只手”，因為當它與傳統(tǒng)材料的原子相互作用時，通常只考慮電場的貢獻，磁場的貢獻由于太微弱而被忽略掉。超常介質的誕生打破了這一經典規(guī)則，超常介質的最小單元為人工設計的微納結構，通常被稱為“人造原子”，這種人造原子使得光的電場分量和磁場分量能夠同時與其發(fā)生耦合，因而磁場的影響變得跟電場一樣重要。更形象地說，在超常介質中，光的“左手”

2、得到了解放，因此光的“雙手”同時有了用武之地，最終使得超常介質表現(xiàn)出一系列迥異于常規(guī)材料的新奇電磁特性，這使得超常介質迅速成為一個熱門研究領域，并且在過去十來年中，超常介質的應用研究也已經拓展到包括無線通信、光通信、雷達、超分辨率成像、微波吸收、電磁隱身等許多領域，并得到了快速的發(fā)展。
　　近年來，非線性超常介質已可實現(xiàn)，由于色散磁導率的存在，超常介質具有豐富的非線性效應，并且其非線性系數(shù)人為可控，結合外場對超常介質的特征參數(shù)μ和

3、ε的影響，可實現(xiàn)對光傳輸特性的真正意義上的“調控”。本文正是基于這樣的研究背景，將傳統(tǒng)的非線性光學理論結合超常介質的奇異電磁特性，研究超常介質中電磁波的非線性傳輸理論，包括電磁波的調制不穩(wěn)定性、空間孤子對的形成和傳輸?shù)?，意在從理論上弄清楚超常介質中豐富的非線性效應對電磁波傳輸特性的影響，揭示新的非線性光學現(xiàn)象和機理，從而獲得主動操控電磁波傳輸?shù)男路椒?，為開發(fā)基于超常介質的新型光電器件奠定理論基礎。主要創(chuàng)新點如下：
　　首先，系統(tǒng)研

4、究了超常介質中的一維空間孤子對的形成條件和傳輸特性。首先，通過廣義雙曲函數(shù)法求解空間(1+1)維耦合非線性薛定諤方程組，得到了三種不同類型的孤子對解，分別為亮-亮型、暗-暗型和亮-暗型空間孤子對解。此外，當兩束不同頻率的光在超常介質中沿同一方向傳輸時，即它們將可能同時位于正折射區(qū)或者同時位于負折射區(qū)，也可能一束光位于正折射區(qū)而另一束光位于負折射區(qū)。參照光纖中時間對孤子的分析，分別征對這三種情形分析了空間對孤子形成的條件并數(shù)值模擬了超常介

5、質中亮-暗型空間孤子對的傳輸特性。研究結果表明：(1)當兩光束同時位于正折射區(qū)時，超常介質表現(xiàn)為常規(guī)材料，耦合方程具有亮-亮型或暗-暗型孤子對解，這在常規(guī)介質中已有透徹研究。(2)當兩光束同時處于負折射區(qū)時，負折射率會導致負的衍射效應，對于自聚焦非線性，耦合方程有暗-暗型孤子對解。對于自散焦非線性，耦合方程有亮-亮型孤子對解。(3)當兩光束位于不同的折射區(qū)時，類比于光纖中兩脈沖分別處于不同色散區(qū)的情形，對于自聚焦非線性，當不考慮交叉相位

6、調制的影響時，空間亮孤子形成于正折射區(qū)，空間暗孤子形成于負折射區(qū)；有趣的是，當考慮交叉相位調制時，空間亮孤子將在負折射區(qū)傳播，而空間暗孤子將在正折射區(qū)傳播。與不考慮交叉相位調制的情形正好相反，此時兩光束將以亮-暗孤子對的形式耦合傳輸保持它們波形不變。最后，我們基于Drude模型，利用分步傅里葉算法模擬了空間亮-暗孤子對的傳輸，仿真結果表明，交叉相位調制效應是維持亮-暗孤子對穩(wěn)態(tài)傳輸?shù)臎Q定性因素，進一步驗證了解析結果和理論預測。
　

7、　其次，研究了超常介質中超短脈沖的時域調制不穩(wěn)定性。首先將超短脈沖在超常介質中的非線性傳輸模型推廣到包含拉曼散射效應的情形，基于這個模型，利用線性穩(wěn)定性分析法得到了調制不穩(wěn)定性表達式，然后根據(jù)不穩(wěn)定性增益譜表達式，通過增益譜圖定性地分析了拉曼效應聯(lián)合超常介質中特有的負的自陡峭效應以及二階非線性色散效應對調制增益譜的影響。研究結果表明，對于自聚焦非線性，拉曼效應將使得脈沖無論在正常色散還是反常色散區(qū)都將產生無截止頻率的增益區(qū)域，并且隨著拉