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《湖南大学》 2014年
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超常介质中的空间孤子对及调制不稳定性研究

方安乐  
【摘要】:光是一种电磁波,是信息传播的终极载体,通常由电场和磁场两个分量来描述它的性质。然而,从某种意义上来讲,光只有“一只手”,因为当它与传统材料的原子相互作用时,通常只考虑电场的贡献,磁场的贡献由于太微弱而被忽略掉。超常介质的诞生打破了这一经典规则,超常介质的最小单元为人工设计的微纳结构,通常被称为“人造原子”,这种人造原子使得光的电场分量和磁场分量能够同时与其发生耦合,因而磁场的影响变得跟电场一样重要。更形象地说,在超常介质中,光的“左手”得到了解放,因此光的“双手”同时有了用武之地,最终使得超常介质表现出一系列迥异于常规材料的新奇电磁特性,这使得超常介质迅速成为一个热门研究领域,并且在过去十来年中,超常介质的应用研究也已经拓展到包括无线通信、光通信、雷达、超分辨率成像、微波吸收、电磁隐身等许多领域,并得到了快速的发展。近年来,非线性超常介质已可实现,由于色散磁导率的存在,超常介质具有丰富的非线性效应,并且其非线性系数人为可控,结合外场对超常介质的特征参数μ和ε的影响,可实现对光传输特性的真正意义上的“调控”。本文正是基于这样的研究背景,将传统的非线性光学理论结合超常介质的奇异电磁特性,研究超常介质中电磁波的非线性传输理论,包括电磁波的调制不稳定性、空间孤子对的形成和传输等,意在从理论上弄清楚超常介质中丰富的非线性效应对电磁波传输特性的影响,揭示新的非线性光学现象和机理,从而获得主动操控电磁波传输的新方法,为开发基于超常介质的新型光电器件奠定理论基础。主要创新点如下:首先,系统研究了超常介质中的一维空间孤子对的形成条件和传输特性。首先,我们通过广义双曲函数法求解空间(1+1)维耦合非线性薛定谔方程组,得到了三种不同类型的孤子对解,分别为亮-亮型、暗-暗型和亮-暗型空间孤子对解。此外,当两束不同频率的光在超常介质中沿同一方向传输时,即它们将可能同时位于正折射区或者同时位于负折射区,也可能一束光位于正折射区而另一束光位于负折射区。我们参照光纤中时间对孤子的分析,分别征对这三种情形分析了空间对孤子形成的条件并数值模拟了超常介质中亮-暗型空间孤子对的传输特性。研究结果表明:(1)当两光束同时位于正折射区时,超常介质表现为常规材料,耦合方程具有亮-亮型或暗-暗型孤子对解,这在常规介质中已有透彻研究。(2)当两光束同时处于负折射区时,负折射率会导致负的衍射效应,对于自聚焦非线性,耦合方程有暗-暗型孤子对解。对于自散焦非线性,耦合方程有亮-亮型孤子对解。(3)当两光束位于不同的折射区时,类比于光纤中两脉冲分别处于不同色散区的情形,对于自聚焦非线性,当不考虑交叉相位调制的影响时,空间亮孤子形成于正折射区,空间暗孤子形成于负折射区;有趣的是,当考虑交叉相位调制时,空间亮孤子将在负折射区传播,而空间暗孤子将在正折射区传播。与不考虑交叉相位调制的情形正好相反,此时两光束将以亮-暗孤子对的形式耦合传输保持它们波形不变。最后,我们基于Drude模型,利用分步傅里叶算法模拟了空间亮-暗孤子对的传输,仿真结果表明,交叉相位调制效应是维持亮-暗孤子对稳态传输的决定性因素,进一步验证了解析结果和理论预测。其次,研究了超常介质中超短脉冲的时域调制不稳定性。首先将超短脉冲在超常介质中的非线性传输模型推广到包含拉曼散射效应的情形,基于这个模型,利用线性稳定性分析法得到了调制不稳定性表达式,然后根据不稳定性增益谱表达式,通过增益谱图定性地分析了拉曼效应联合超常介质中特有的负的自陡峭效应以及二阶非线性色散效应对调制增益谱的影响。研究结果表明,对于自聚焦非线性,拉曼效应将使得脉冲无论在正常色散还是反常色散区都将产生无截止频率的增益区域,并且随着拉曼效应的增强,增益随频率单调递增的幅度将变大;其次,二阶非线性色散效应始终抑制调制不稳定性的产生;最后,负的自陡峭效应在正常色散区对调制不稳定性的影响很小,而在反常色散区,它将极大地抑制调制不稳定性的发生。超常介质中包含拉曼效应的调制不稳定性现象在以前的研究工作中还未曾报道过。该研究结果对将来超短光脉冲串的产生、孤子的操控等许多实际应用领域研究具有重要的指导意义。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:O437

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【参考文献】
中国期刊全文数据库 前2条
1 戴小玉;文双春;项元江;;色散磁导率对异向介质中的调制不稳定性的影响[J];物理学报;2008年01期
2 冉立新 ,陈红胜 ,皇甫江涛 ,章献民 ,陈抗生 ,孔金瓯;异向介质研究进展[J];微波学报;2004年03期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 刘凌云;杨东平;李珊;;无线电能传输中非正定磁介质的部分聚焦效应[J];河南师范大学学报(自然科学版);2015年01期
2 刘冬;卢俊;何佳;;负折射率材料的电磁特性与研究进展[J];长春理工大学学报(自然科学版);2012年03期
3 张景贵;项元江;章礼富;李勇帆;;负折射介质中非线性色散效应对调制不稳定性的影响[J];中国激光;2012年07期
4 崔海峰;李玉芳;孙永志;皇甫江涛;;微波频段单面型左手材料的电磁性能[J];微波学报;2012年S1期
5 白冬萍;张洁婷;邓晖;;E型左手材料[J];微波学报;2012年02期
6 钟先琼;向安平;程科;蔡青;;饱和非线性正折射异向介质中的调制不稳定性[J];强激光与粒子束;2011年12期
7 王琦;苏畅;姜弢;;“巨”型负磁导率材料的优化设计[J];应用科技;2011年04期
8 刘敏;陈平;;微波波段金属开口谐振环对的共振模劈裂现象研究[J];微波学报;2011年01期
9 杨春宇;张狂;吴群;;二维任意形状隐身罩条件的仿真验证[J];微波学报;2010年S1期
10 何光华;伍瑞新;陈平;;金属线对结构中左手材料特性的实验验证[J];微波学报;2010年03期
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 郑晴,赵晓鹏,付全红,赵乾,康雷,李明明;左手材料的反射特性与负折射率行为[J];物理学报;2005年12期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 ;非线性光纤传输的若干理论问题(之三) Ⅲ非线性单模光纤中的调制不稳定性理论[J];电子器件;1988年04期
2 赵阳,杨祥林;非线性单模光纤中的调制不稳定性[J];物理学报;1989年04期
3 林蓉;;白光和激光产生的调制不稳定性的比较[J];光学技术;2017年05期
4 杨淑雯,郭旗,廖常俊;光纤受激调制不稳定性的谱理论[J];光子学报;1993年01期
5 贾维国;史培明;崔雯辉;张俊萍;樊国梁;;保偏阶跃光纤中矢量调制不稳定性[J];光电子·激光;2006年02期
6 黄菁,赖声礼;调制不稳定性对波分复用系统的影响[J];光电子·激光;2002年05期
7 贾维国,杨性愉;非线性双折射色散光纤中极化调制不稳定性分析[J];光子学报;2002年06期
8 文双春,徐文成,郭旗,刘颂豪;单模光纤中四阶色散导致的调制不稳定性[J];光通信研究;1997年04期
9 郭旗,廖常俊,刘颂豪;光纤中受激调制不稳定性的最佳工作区域[J];量子电子学;1991年01期
10 贾维国,杨性愉;非线性高双折射色散缓变光纤中矢量调制不稳定性[J];激光与红外;2003年05期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 郭旗;廖常俊;刘颂豪;;光纤中受激调制不稳定性的最佳工作区域[A];第四届全国光电技术与系统学术会议论文集[C];1991年
2 夏守之;郭焱;;5阶非线性双折射保偏光纤中的调制不稳定性的研究[A];中国光学学会2006年学术大会论文摘要集[C];2006年
3 刘帅;陈芝燚;张新曙;;风和耗散影响下的调制不稳定性研究[A];第十四届全国水动力学学术会议暨第二十八届全国水动力学研讨会文集(下册)[C];2017年
4 贾维国;史培明;杨性愉;张俊萍;樊国梁;;非线性双折射光纤中不同频率传输区域的调制不稳定性[A];中国光学学会2006年学术大会论文摘要集[C];2006年
5 曾和平;;超短激光脉冲调制不稳定性及其应用研究[A];2004年全国强场激光物理会议论文集(一)[C];2004年
6 郭焱;夏守之;;高阶非线性效应对时空不稳定性的影响[A];中国光学学会2006年学术大会论文摘要集[C];2006年
7 李源;;光在自散焦介质中的调制不稳定性[A];中国光学学会2006年学术大会论文摘要集[C];2006年
8 钟先琼;向安平;程科;蔡青;;高阶色散下饱和非线性负折射介质中的调制不稳定性[A];中国光学学会2011年学术大会摘要集[C];2011年
9 方涛;李玉权;;光纤的非线性双折射及其矢量调制不稳定性[A];第九届全国青年通信学术会议论文集[C];2004年
10 李院民;李齐良;;有源光纤放大链路中高阶色散致调制不稳定性的研究[A];浙江省光学学会第九届学术年会暨新型光电技术青年论坛论文集[C];2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 庄彬先;超常介质中孤子和行波的产生与传播研究[D];湖南大学;2014年
2 方安乐;超常介质中的空间孤子对及调制不稳定性研究[D];湖南大学;2014年
3 甘晶辉;光力链系统中的孤子[D];华中科技大学;2017年
4 钟先琼;光纤中调制不稳定性的进一步研究[D];四川大学;2005年
5 卓辉;周期性微结构光子材料中光波的非线性传输研究[D];湖南大学;2008年
6 项元江;人工电磁超常材料中光和电磁波的传输与控制[D];湖南大学;2011年
7 刘冲;光学局域波态转换和相互作用的理论研究[D];西北大学;2016年
8 梁毅;弱光非线性传播及应用[D];南开大学;2014年
9 蔺福军;吸积盘中的反常磁黏滞及其应用[D];南昌大学;2013年
10 黎定国;非广延分布等离子体中自生磁场及非线性效应研究[D];南昌大学;2015年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 李妮;弛豫介质中两束不同功率的耦合脉冲的调制不稳定性研究[D];湖南大学;2015年
2 陈能松;光纤中诱导调制不稳定性对光学流氓波的调控作用研究[D];湖南大学;2016年
3 徐辉;非线性多芯光纤的调制不稳定性研究[D];南京信息工程大学;2018年
4 羊裔军;基于可控噪声源的非线性传输混沌现象研究[D];湖南大学;2018年
5 杨慧敏;光纤通信系统中调制不稳定性的研究[D];西南交通大学;2008年
6 易鹏;含超常介质的反向定向耦合器的时空调制不稳定性研究[D];湖南大学;2012年
7 赵典;广义非线性薛定谔方程描述的调制不稳定性、湍流、坍缩和逆级联[D];浙江大学;2011年
8 张星;高阶非自治薛定谔型方程的畸形波动力学和基带调制不稳定性[D];华北电力大学(北京);2017年
9 郑一周;强激光的调制不稳定性理论研究[D];华南师范大学;2004年
10 高松;小信号分析克尔介质的调制不稳定问题[D];四川大学;2004年
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