产生空间亮孤子的物理机制-非线性光学与光子学

从原理上来说，在适当的入射光波长、功率、光强、横向分布等条件下，在任何具有自聚焦反应的介质内，均有可能观察到光学空间亮孤子的产生。到目前为止，主要利用下述4种类型的非线性光学介质，产生和观测到光学亮孤子，并研究了它们的基本特性［3，4］。第一类是三阶非线性光学介质，包括气体、液体和固体，其共同特点是介质给定位置处的折射率变化正比于该处的光束光强，产生折射率变化的物理机制包括电子云畸变、分子再取向、按空间或能级结构的重新分布等，其折射率变化的响应时间可以为瞬时或远小于入射光脉冲持续时间。第二类是二阶非线性晶体介质，其感应折射率变化正比于局部光场的振幅（光频泡克耳斯效应），响应时间可认为是瞬时的。第三类是由具各向异性分子组成的液晶，其感应折射率变化取决于同时施加的低频外界电场和入射光束光强。第四类为光折变材料。在后两种情况下，介质折射率变化的响应时间是相当缓慢的，在（10-3～102 s）量级。

实验上，为产生光学空间亮孤子，入射激光束通常经过一个光学透镜，以预聚焦窄光束的形式进入选定的体状非线性介质并沿z轴传播。此时，在适当条件下，光束在介质内的自陷可同时在x轴和y轴两维方向上实现。这样形成的空间亮孤子亦可称为二维（2D）孤子。在另外一些情况下，入射光束亦可通过一个柱面透镜，被预聚焦成一个窄的亮线光束进入非线性介质，在后者的传播过程中，光束的自陷可只在垂直于该亮线方向上产生，具有这种特性的光束，则可称为一维（1D）孤子。

光束自陷，是与非线性介质折射率变化有关的强光束空间自作用过程中的一种特殊表现，它在实现条件和表现特性等方面，还与一般的光束自聚焦行为有所不同。

为产生光束自陷式空间亮孤子，光束在介质入射面位置处的尺寸非常小（通常为几十微米量级），在自陷形成后该光束尺寸可在大于瑞利范围Ld 5～10倍的传播距离上基本保持不变。Ld定义为(www.xing528.com)

式中，w0为入射光束的焦斑（光腰）半径，λ0为真空中波长，n0为线性折射率。

然而，与空间亮孤子形成的上述特殊条件不同，在一般的光束自聚焦实验研究中，入射光束可以是预聚焦光束，也可以是准平行光束，甚至还可以是轻微的发散光束。在这些情况下，不但可观察到在介质内焦点的形成和移动，在入射光强增大的条件下，尚可观察到多焦点或系列焦点的形成（参见6.2节）。