非均匀扩散的环状孤子以及Airy光束在耗散系统中传输的研究

发布时间：2020-05-31 13:50

【摘要】：空间光孤子是非线性系统中一种具有自我束缚和局域作用的特殊产物,它以独特的平衡性能够实现在光纤介质中的高容量、长距离传输。而耗散空间孤子则是非线性平衡与能量平衡的共同产物,是一种更加适合在自然界复杂系统中的传输载体。耗散孤子光纤激光器能从实验上实现高功率的脉冲孤子输出,并且在极大的参数范围内都实现锁模,同时也能够允许高阶非线性效应的存在而避免光波分裂,形成的脉冲种类及其演化过程也十分丰富。光孤子在耗散系统传输中,根据不同的光场模式能够形成多种更具独特性与应用性的动力学变化。涡旋光束以及Airy光束都以其独特的性质而引起了众多研究者的兴趣。光学涡旋模式中带有相位因子的指数项,因此是一种具有相位奇点以及螺旋型相位波前的光束,对光学涡旋场的产生、传播及其在微粒操控、信息传输等应用方面都具有重要的研究意义。而Airy光束也因其无衍射、自加速以及自我修复等特性也引起了众多学者的兴趣,并应用到光学清扫、电子加速、微粒操控等研究上。在本文中,我们通过复系数三-五阶金兹堡郎道方程的耗散系统模型,通过构建非均匀有效扩散项,对在内进行传输的涡旋孤子演变进行研究。通过系统的模拟计算,在带有非均匀有效扩散(空间滤波)项的三-五阶复金兹堡-朗道方程模拟的介质中,我们展示了从一个嵌入涡旋的二维入射光到多种环状光涡旋(OVs)的变化。这种非均匀有效扩散项在横向上是各向异性的,并且在纵向上实现周期性调控。我们展示了稳定的正方形状、齿轮状、倾斜的椭圆状、两个卫星涡旋和中心基孤子构成的串状束缚态以及三个基孤子构成的环状涡旋光。它们的形状可以通过调节非均匀扩散的强度和调制周期进行调控。通过改变输入光束的涡旋以及非均匀扩散的参数确定存在光涡旋的稳定区域。这个结果提供了一种产生新型环状光涡旋的方法,能够应用在结构光学的相关工作中。同时也对有限能量以及无限能量的二维Airy光束在耗散系统中的传输特性进行了研究,归纳出了不同传输态存在的参数区间。
【图文】：

耗散系统,哈密顿系统,孤子形成,孤子

存在于可积分的守恒系统中，具体表现为系统只考虑非线性效应与衍射或者色散的平而无能量的流入与流出，可看成是哈密顿系统的一个分支，即是对自然界中真实存在复杂系统进行高度简化的结果。与哈密顿这样的保守系统不同，耗散系统具备开放性与外界不断产生物质与能量的交换，更加接近复杂交叉的、相互影响的现实世界，在然界普遍存在。例如在现实的光纤传输系统中，标准的非线性薛定谔方程就是在群速色散（GVD）与自相位调制（SPM）平衡条件下去描述孤子在光纤中传输的理论模型但为了提高光纤传输容量而采用超短脉冲时，传输介质中的高阶影响必须被考虑在内所以孤子在光纤中的传输就远比非线性薛定谔方程所定义的更复杂。因此，耗散系统的光孤子不仅仅只有非线性效应与衍射或者色散的平衡，还具有能量增益与能量损耗间的平衡，而这也是耗散孤子能够存在的重要条件。图 2-1 能够非常清晰的说明两种统中孤子存在的区别。所以在耗散系统中我们更加关注孤子能量的增益与损耗。若增过大，会导致孤子过度膨胀而崩溃，若损耗过大，则会导致孤子萎缩而消失。

涡旋,光束,二维平面,相位分布

求解波动方程而得到的。涡旋光束就是具备特殊波动解的一种光波，其解点，表明波在具有奇点的地方发生了突变，即产生了相位畸变，所以奇点，而振幅与光强都为零。光束会围绕着这个奇点旋转成涡旋，在中心轴线着奇点旋转前进，这样的光束就是涡旋光束，而相位奇点就被称为光涡旋位置光场表现为暗迹，，即场强的实部和虚部都为零，光场则围绕着光涡旋用的普通涡旋光束在极坐标下的表达式为： 22rr, r exp exp2Mu A z iMw z （中 A 表示的是光束振幅，w 表示的是入射光束的宽度，M 表示的是涡旋涡旋光与其它光束最大的区别还在于它多了一个相位因子，用 exp(iMθ)表电荷 M 提供了涡旋光的角动量，包括自旋角动量和轨道角动量，涡旋光布也因此而产生。图 3-1 展示了不同拓扑电荷值的涡旋光束二维平面图及。
【学位授予单位】：广东技术师范学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O437

【参考文献】