空间亮孤子的形成与非线性光学

用于光学孤子研究的光折变介质通常为以特定金属掺杂的无机晶体。与各向同性三阶非线性介质和各向异性二阶非线性晶体相比，在光折变介质中由入射光场引起的折射率变化的物理机制更为复杂，它们涉及由光吸收引起的空间电荷的产生、输运和再捕获等过程。最后通过空间电荷场的形成以及晶体本身固有的电光（直流泡克耳斯效应）特性，而呈现出折射率的感应变化。由于涉及光场引发空间电荷的扩散和漂移（一般说来这是一种较慢的过程），因此在光折变介质中产生的折射率变化，既不具有严格的定域性，更不是一种瞬时过程，其响应时间通常大于或远大于毫秒量级。在这两点意义上来说，光折变介质中折射率的感应变化特性，与前面所述的液晶介质有所相似。

在光折变晶体中产生光学孤子的理论分析最早由Segev等人于1992年提出［33］。一年之后，由Duree等人报道了在光折变晶体中首次观察到空间亮孤子的实验结果［34］。在该实验中，采用了铌酸锶钡（SBN）晶体做非线性光折变介质，在晶体样品横向施以400～500 V/cm的直流电场，入射是波长为457 nm的连续氩离子激光束，聚焦后在样品入射端面处的光斑尺寸为70～80 μm。实验结果表明，只有在入射光开始作用后的一段特定时间范围内（持续时间130 ms）才能观察到光束的自陷和空间亮孤子的形成。在这之后，研究者们发现为实现稳态的空间亮孤子，最好是在对光折变晶体施加横向直流电场的同时，也对晶体样品施以均匀背底光照明。此种安排下，介质折射率变化行为依赖于比率η=（为入射光束的最大光强，Ibg为均匀背底照明的光强）［35，36］。在此条件下的光束自陷和稳态空间亮孤子的形成，实质上是通过入射聚焦激光束与均匀背底照明光束同时作用，而导致的对外加直流偏压电场形成的非均匀屏蔽的结果。

作为一个在光折变介质中实现稳态空间亮孤子的典型实例，图13-4为采用一个5.5 mm长的掺铑SBN∶60光折变晶体作为样品，以514 nm低功率（μW量级）连续激光作为入射光束获得的实验结果［36］。入射激光束经聚焦后在样品入射端面处的光斑尺寸约为10 μm，沿晶体a轴方向传播而沿c轴方向偏振；对晶体沿其c轴方向施以3 400 V/5.5 mm的直流电场，并同时施以同样波长而光强水平均为W/cm2量级的均匀背底光照明，背底光偏振方向与入射光偏振方向垂直，而光强比率η选取为70。照片中上部轨迹反映在有外界施加直流电场情况下空间亮孤子形成的图像，光斑直径一直保持近似等于10 μm；而下部轨迹为不加外部电场情况下光束在晶体传播过程中自然发散的图像，由于自然发散的结果，此时的输出光斑尺寸扩大到40 μm。

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图13-4　上部显示尺寸为10 μm的空间亮孤子光束（有施加直流电场），下部显示线性衍射光束（无施加直流电场）［36］

在类似实验条件下，测得的稳态空间亮孤子的形成建立时间为10-1～1 s量级［36，37］。粗略来说，光折变介质折射率变化的响应时间，反比于入射光束的光强，因此采用高光强的脉冲作为入射光束，可望显著缩短上述响应时间。实验曾证实，采用波长为532 nm、脉宽为8 ns、光强水平为100 MW/cm2的聚焦激光束作为入射光，同时对SBN光折变晶体施以光强水平为10 MW/cm2的同样波长的均匀背底光照明，可以在非常短（80 ns）的时间内形成稳态的空间亮孤子光束［38］。

需要指出的是，一旦聚焦入射激光束在光折变介质中形成空间亮孤子，该光束在样品输出端面处的横向相位分布是均匀的，这意味着输出空间亮孤子在输出端面之后的线性介质的继续传播过程中，保持其本身的准平面波的特性［34，36］。