螺旋行进空间中孤子的形成

利用光学涡旋技术可以产生螺旋状的空间亮孤子。通常，光学涡旋波是一种具有空心环状光强分布的特殊光束，它的相位在垂直于传播方向的平面上围绕光束的暗中心旋转。一般来说，在数学上它可以被描述为

式中，E（r，φ）为振幅函数，r为横向径向变量，φ为垂直于传播方向的平面上围绕光学轴的极角变量，k为波矢模量。而振幅函数对φ的依赖关系可表示为［39］

式中，w0是一个以高斯函数为特征的光腰尺寸，p=±1，2，…是一个被称为拓扑荷的整数。一种真正的涡旋光束可以通过不同的技术方法产生。其中一种方法是让一个单色和准平面光波通过一个特殊的全息膜片，后者是通过计算机来模拟由一规则平面光波与一按式（13-6）所设计的涡旋光波之间的干涉条纹而制成［39］。根据全息原理，当让一个实际平面波通过这样一个模片时，旋涡波将被适当的衍射级所再现。

早期一种利用涡旋光束来产生空间亮孤子的实验，是在Rb蒸气系统中实现的，入射激光束波长为780 nm，与工作介质的D2谱线产生近共振［40，41］。为获得正的折射率增强变化，输入激光频率被调谐到足够接近Rb原子超精细跃迁5S1/2（F=3）→5P3/2（F=4）的高频一侧；此外，该系统的非线性反应，也可以通过改变20 cm长的蒸气管的温度或变化输入光束的功率水平来加以控制。在其中一项实验中，最初的激光束为线偏振，并为一种略呈椭圆截面的TEM00模式，其长短轴的比值为1.15；该光束通过计算机生成的全息振幅膜片来产生一个拓扑量子数为p=1的涡旋光束，它具有稍微不对称的方位角分布，如图13-5（a）所示［40］。(www.xing528.com)

实验表明，当输入涡旋光束功率为17 mw、频率失调谐为20 GHz（远离共振）、蒸气盒温度是81℃时，在总长度为20 cm的蒸气盒出射窗口处的光斑照片如图13-5（b）所示，表明基本由线性传输决定的光束总体发散以及由光束初始较强区部分自聚焦形成的左右两个局部亮斑。在同样条件下，当改变失调谐为0.5 GHz（十分接近共振）时，可在出射窗口处记录到如图13-5（c）所示的两个十分鲜明的亮点，这可看成是在非线性传输过程中由于光束强区自陷而形成一对空间亮孤子的证据。需要注意的是，这两个亮点位置的方位角相对于入射光束初始强区而言发生了明显的旋转。图13-5（d）是借助该蒸气样品共振荧光发射而从样品盒顶部拍摄到的一对空间亮孤子的空间轨迹照片，取样长度为20 mm，取样位置距入射端距离为70 mm。实验还表明，当改变拓扑量子数的符号时，上述形成的一对空间亮孤子的行进旋转也随之反向。

图13-5　涡旋光束在Rb蒸气样品盒中非线性传输行为［40］

（a）涡旋光束在Rb蒸气盒入射窗口处光斑照片；（b）光束经过线性传播后（频率失共振量为20 GHz）在约20 cm长蒸气盒出射窗口处光斑照片；（c）光束经过非线性传播后（频率失共振量为0.5 GHz）在出射窗口处光斑照片；三张照片尺度比例相同，蒸气盒温度均为81℃；（d）在距入射窗口约70 mm处借助共振荧光从顶面拍摄到的空间亮孤子非线性传输照片，蒸气盒温度为100℃

与以上所述相类似的由涡旋激光束入射导致的空间亮孤子的形成，也可在光折变介质中实现［42，43］。