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负折射介质中孤子脉冲传输的数值模拟研究

宋小燕  
【摘要】: 负折射介质是近年来人工合成的一种新奇的材料,它同时具有负的介电常数和负的磁导率。目前,已经能够从微波段到红外甚至光波段实现负折射材料,这种进展对材料、光电子、通信等领域产生了革命性的影响。开展负折射介质中孤子脉冲的传输研究不仅拓展了传统的非线性光学领域,还有望导致产生全新的操纵光的技术,从而发展出新型光电子器件。本文结合最新的负折射介质的独特性质和传统的非线性光学的基本原理研究孤子脉冲在负折射介质中的传输,建立孤子脉冲在负折射介质中传输的物理意义清晰、数学形式简洁的理论模型,用数值模拟方法求解理论模型,揭示出孤子脉冲传输的新现象和新特性并分析其物理原因。取得的主要成果如下: 第一,除了折射率符号相反以外,负折射介质与常规的光学介质的最大区别在于负折射介质还具有色散磁导率。这就要求我们必须结合介质的特性和孤子脉冲的特性重新建立孤子脉冲在负折射介质中的传输模型,为研究负折射介质中孤子脉冲的传输特性奠定理论基础。我们从Maxwell方程组出发,结合常规的孤子脉冲传输理论和负折射介质的特性,得到了一个描述负折射介质中电场脉冲非线性传输的理论模型。这个模型清晰地体现了负折射介质特有的属性对孤子脉冲传输的影响,揭示了色散磁导率和磁的非线性特性导致的负折射介质与常规介质中脉冲传输的差别。 第二,负折射介质中孤子脉冲的传输受多种因素的制约,理论分析十分复杂,数值模拟成为重要的分析手段。我们基于负折射介质中电场脉冲非线性传输的理论模型自主开发了能模拟孤子脉冲线性和非线性传输过程的计算机程序,并与文献报道的理论结果进行比对,考核了程序计算结果的正确性。 最后,利用数值模拟方法详细分析了自陡峭效应及二阶非线性色散效应对基阶和高阶孤子传输的影响。结果表明,自陡峭效应造成了孤子脉冲中心的偏移,偏移的方向恰好与正折射介质相反,同时它的符号以及孤子所处的色散区域决定了脉冲中心偏移的方向;在反常色散区,非线性色散系数的正负决定二阶非线性色散效应导致脉冲展宽或者压缩,同时它也决定了孤子演变的强烈程度。


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