超常介質(zhì)中的調(diào)制不穩(wěn)定性和孤子傳輸特性研究.pdf

1、超常介質(zhì)是一種新型的人工合成材料,它具有許多自然材料所不具備的獨特的電磁特性。隨著超常介質(zhì)從微波到紅外甚至光波段的實現(xiàn),對電磁學(xué)、材料學(xué)、光學(xué)、電子學(xué)、通信等學(xué)科產(chǎn)生了重大影響,將極大地拓展這些學(xué)科的傳統(tǒng)研究領(lǐng)域；同時,可以通過改變超常介質(zhì)的基本單元及其排列結(jié)構(gòu)等來實現(xiàn)具有特殊屬性的電磁媒質(zhì),從而可獲得一批新型微波、毫米波、太赫茲波、紅外和光波器件和系統(tǒng)。本文結(jié)合傳統(tǒng)的非線性光學(xué)基本理論和超常介質(zhì)的獨特性質(zhì),研究超常介質(zhì)中電磁波和光波的

2、若干非線性傳輸特性,不僅具有重要的科學(xué)意義,同時對發(fā)展光控光技術(shù)和新型的光電子器件有實用價值。取得的主要結(jié)果如下:
　　 第一,利用傳統(tǒng)的非線性光學(xué)基本原理,結(jié)合超常介質(zhì)的新特性,建立了電磁波在超常介質(zhì)中非線性傳輸?shù)睦碚撃Ｐ?發(fā)現(xiàn)超常介質(zhì)特有的色散磁導(dǎo)率導(dǎo)致電磁波在傳輸中出現(xiàn)新的非線性效應(yīng),包括反常自陡效應(yīng)和高階非線性色散效應(yīng)。
　　 第二,基于得到的傳輸模型,利用線性穩(wěn)定性分析推導(dǎo)出了超常介質(zhì)中的調(diào)制不穩(wěn)定性的增益譜表

3、達式,并將其應(yīng)用于Drude模型,研究了超常介質(zhì)正、負折射區(qū)的時間調(diào)制不穩(wěn)定性特性,揭示了贗五階非線性效應(yīng)及由色散磁導(dǎo)率導(dǎo)致的自陡峭效應(yīng)、二階非線性色散效應(yīng)對調(diào)制不穩(wěn)定性的影響。特別是,我們理論證明,由于二階非線性色散效應(yīng)的作用,調(diào)制不穩(wěn)定性有可能在超常介質(zhì)的正常色散區(qū),甚至零線性色散情形出現(xiàn);而在常規(guī)介質(zhì)中,調(diào)制不穩(wěn)定性通常在反常色散情形發(fā)生。這一發(fā)現(xiàn)不僅為調(diào)制不穩(wěn)定性的產(chǎn)生找到了一個新的條件,同時為超短脈沖串的產(chǎn)生提供了一條新的途徑

4、。
　　 第三,精確求解超常介質(zhì)中電磁波的傳輸方程,得到了超常介質(zhì)中各種可能情形下的亮、暗孤子解,重點揭示了超常介質(zhì)特有的色散磁導(dǎo)率所導(dǎo)致的可控自陡效應(yīng)和二階非線性色散效應(yīng)對孤子形成和傳輸特性的影響,理論證明在非線性超常介質(zhì)中,由于二階非線性色散可充當(dāng)線性群速度色散的角色,使得亮、暗孤子無論在反常色散還是正常色散,甚至零群速度色散情形都能形成,說明超常介質(zhì)不僅豐富了孤子形成的條件,而且蘊含著大量新的孤子現(xiàn)象。
　　 第四

5、,研究了兩同向傳輸光束在非線性超常介質(zhì)中的交叉相位調(diào)制致空間調(diào)制不穩(wěn)定性現(xiàn)象,首次發(fā)現(xiàn),由于超常介質(zhì)折射率的正負跟光束頻率相關(guān),它將決定衍射項的符號,使我們有可能實現(xiàn)類似于光纖中的各種交叉相位調(diào)制致時間調(diào)制不穩(wěn)定性的交叉相位調(diào)制致空間調(diào)制不穩(wěn)定性。例如,在聚焦非線性超常介質(zhì)中,當(dāng)兩光束的頻率同時處于超常介質(zhì)的正或負折射區(qū)時,空間調(diào)制不穩(wěn)定性類似于兩個中心頻率不同的脈沖同時在反常或正常色散區(qū)傳輸時的時間調(diào)制不穩(wěn)定性;而當(dāng)兩光束的頻率分別處

6、于超常介質(zhì)的正、負折射區(qū)時,空間調(diào)制不穩(wěn)定性類似于光纖中兩個脈沖分別在光纖的反常和正常色散區(qū)傳輸時的時間調(diào)制不穩(wěn)定性。在散焦非線性超常介質(zhì)中,空間調(diào)制不穩(wěn)定性同樣能在光纖中找到相類似的時間調(diào)制不穩(wěn)定性。正負折射區(qū)調(diào)制不穩(wěn)定性的產(chǎn)生就意味著當(dāng)兩光束在超常介質(zhì)正負折射區(qū)中傳輸時有可能形成亮暗空間孤子對,而在常規(guī)介質(zhì)中這是很難實現(xiàn)的。本文通過數(shù)值模擬進一步驗證了調(diào)制不穩(wěn)定性的產(chǎn)生,并證實了光束分別在超常介質(zhì)正、負折射區(qū)傳輸時能產(chǎn)生亮暗空間孤子