空间亮孤子的形成-非线性光学说明

二维空间亮孤子可以在多种不同状态下的三阶非线性介质中产生，这些介质的折射率变化正比于光强，因此在一些文献中亦被习惯地称为克尔型介质，其中包括金属蒸气［5，6］、液体［7，8］、有机晶体［9，10］、重金属掺杂的氧化物玻璃［11］等。

对金属蒸气系统而言，选定适当的入射激光波长，使其靠近给定金属蒸气的某一吸收中心频率的一侧，则基于单光子共振增强，可获得较大的感应折射率变化，从而有利于空间亮孤子的产生，降低对入射光功率水平的要求。对于入射光波长是透明的液态和固态介质而言，因为无单光子共振增强效应可利用，为产生可观察到的折射率变化和形成光学孤子，一般要求入射光束是脉宽为纳秒或皮秒量级的脉冲激光。

作为一个实例，曾利用波长为820 nm、脉宽为25 ps的脉冲激光，聚焦入射到一个长度为5.7 mm的Nb2 O5-PbO5-GeO2（NPG）玻璃短棒的前表面，在该入射面处的光斑尺寸约为11 μm。图13-1下行各照片为在不同输入光脉冲能量水平下，在样品输出端面上测得的出射光束光斑尺寸。由该图可以看出，当入射光脉冲能量＜2μJ时，出射光斑尺寸显著大于入射光斑尺寸，这是由于光束本身的线性传输发散所决定的。然而当入射光脉冲能量＞2μJ时，测得的出射光斑尺寸近似保持与入射光斑尺寸相同。这是产生光学空间亮孤子的实验证明。图13-1的上行各图，是在相应条件下理论模拟的输出光斑尺寸照片，从上下两行图的对照相比，可看出实验结果与理论模拟基本符合［11］。

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图13-1　在玻璃介质内光学亮孤子的形成：理论计算（上图）和实测（下图）输出光斑场图，输入高斯光束光腰尺寸为11 μm，在玻璃样品介质内传播距离为5.7 mm［11］

一维空间亮孤子，则可以采用柱面透镜聚焦，在一些由三次非线性介质制成的一维平面波导结构中实现，波导芯质可以是半导体［12，13］、玻璃或者聚合物［14，15］。亮线状入射光束的长线方向垂直于一维波导平面，而形成孤子后的光束自陷则发生在该波导平面内垂直于光束传播的方向上。

对于给定的入射激光条件而言，产生光学亮孤子的难易程度，取决于所选定介质的非线性折射率系数（n2＞0）的大小。对入射光波长透明的介质而言，采用适当的近单光子跃迁共振、近双光子跃迁共振或者近拉曼跃迁共振，均可在不严重损失入射光能量的前提下，显著增强有效的n2数值。此外，利用四波参量混频过程，亦可获得增强折射率变化。基于类似的原理，在实验上已经在激光增益介质和拉曼增益介质中，观察到空间亮孤子的产生［16～18］。