非线性光学中液晶介质形成的空间亮孤子

在由各向异性取向分子组成的丝状液晶介质中，由光场引起的感应折射率变化是源自液晶分子的空间再取向。然而，与由各向异性分子组成的液体（如CS2）不同，在液晶情况下，由其高黏滞性和液晶分子与容器内壁之间的相互作用所制约，介质本身在入射光场作用下产生的折射率变化，在空间上来说不具备定域性，而在时间上来说不具备瞬时性（响应时间通常在几十秒量级或更长）［29］；换句话说，液晶介质在入射光作用下的折射率变化Δn（x，y，z，t），并不简单地决定于光强函数I（x，y，z，t）。但在另一方面，利用液晶做自聚焦介质在技术上的好处是，在施加低频和低电压交流电场对液晶分子进行偏压预取向的前提下，采用对入射光偏振方向和传播方向的适当选择，可使介质的折射率变化显著增强，从而可利用功率低至毫瓦的连续激光束入射，观察到光束自陷和空间亮孤子的形成［30～32］。

图13-3　在（y-z）平面内传输的光束剖面（两入射光束在入射面光腰尺寸10 μm，沿y轴方向间距28 μm，夹角5°）［30］(www.xing528.com)

（a）线性传输；（b）2.8 mW功率下二孤子光束形成弱相互作用；（c）3.6 mW功率下二孤子间强相互作用；（d）4.5 mW功率下二孤子光束交叉

标准的E7型丝状液晶，常用于产生光学空间亮孤子的实验研究。作为一种典型的实验装置，如图13-3上部所示，液晶材料充于一个非常薄的方形液盒，入射光束通过一个光学窗口聚焦入射到液盒之内并沿z轴方向传播［30］。低频交流电场沿垂直于液晶薄层的x轴方向施加于液层之上，使得在光束穿过的液层中部的液晶分子与z轴近似成45°取向。液晶薄层厚75 μm，长度0.9 mm，两束等光强并沿x轴方向线偏振而波长为514.5 nm的出自同一台连续氩离子激光器的入射光束，经过一个20×的显微镜物镜而聚焦入射到液盒的入射窗口中心，在该处的两入射光斑尺寸均约为10 μm，沿横向（y轴）方向上的光斑间距约为28 μm，两光束传播方向交角约为5°。两光束在液晶内传播过程中的光束尺寸的变化，可通过经由液盒上表面的窗口拍摄到的散射光成像照片而加以确定。在非常低的入射功率水平下，两光束在液晶薄层内的传播过程中迅速发散，如图13-3（a）所示。当每束光入射功率增加到2.8 mW时，两束光形成光束截面保持不变的空间亮孤子状态，如图13-3（b）所示。当入射功率增加到3.6 mW时，可看到两个自陷光束在出射端面处相交，如图13-3（c）所示。当入射光功率进一步增大到4.5 mW时，两自陷光束的交叉点明显向入射端方向移动。这后两种行为，涉及空间亮孤子间的相互作用（参见13.4节）。