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研究了带有变系数的N阶耦合非线性薛定谔方程, 获得了其3-孤子解, 并通过渐近分析和图像分析研究了孤子的相互作用。结果表明, 当本征值不同时, 3-孤子解分别为常规孤子、束缚态孤子以及常规孤子和束缚态孤子的组合; 当满足特定条件时, 常规亮孤子和束缚态亮孤子可实现弹性相互作用, 也可实现非弹性相互作用, 而暗孤子仅存在非弹性相互作用; 对于常规孤子和束缚态孤子的组合, 亮孤子分量的相互作用规律较为复杂, 受参数取值影响较大, 但暗孤子分量依然保持弹性相互作用。
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第
卷
第
期
光
学
学
报
年
月
多组分耦合非线性薛定谔方程的
3G
孤子解及其
相互作用
赵 岩
,
宋 丽 军
,
王 艳
山西大学物理电子工程学院
山西 太原
摘要
研究了带有变系数的
N
阶耦合非线性薛定谔方程
获得了其
孤子解
并通 过渐 近分析 和图 像分析 研究 了
孤子的相互作用
结果表明
当本征值不同时
孤子解分别为常规孤子
束缚态孤子以及常规孤子 和束 缚态孤 子
的组合
当满足特定条件时
常规亮孤子和束缚态亮 孤子 可实 现 弹性 相互 作 用
也 可实 现非 弹 性相 互作 用
而 暗孤
子仅存在非弹性相互作用
对于常规孤子和束缚态孤子的组合
亮孤子分量的相互 作用 规律较 为复 杂
受参 数取 值
影响较大
但暗孤子分量依然保持弹性相互作用
关键词
非线性光学
亮孤子
暗孤子
相互作用
渐近分析
中图分类号
文献标识码
doi
3GSolitonSolutionsofMultiGCom
p
onentCou
p
ledNonlinearSchrödin
g
er
E
q
uationandTheirInteraction
Colle
g
eo
f
Ph
y
sicsandElectronicEn
g
ineerin
g
ShanxiUniversit
y
Tai
y
uan
Shanxi
China
Abstract
N
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
修回日期
录用日期
基金项目
国家自然科学基金青年科学基金
EGmail
EGmail
引
言
自从在理论上证明和实验中观察到在光纤反常
群速度色散区存在 亮孤子
在正常群 速 度色散区 存
在暗孤子
光 孤 子 在 光 纤 通 信 领 域 受 到 广 泛 关
注
例如
孤子可以通过适当的放大来补偿衰减以进
行长距离传输
当非线性 效 应和群速度之间平
衡时产生光孤子
并且可以 通 过非线性 薛 定谔方程
的标量场描述光孤子在单模光纤中的传输
考虑
到多模光纤
光纤阵 列 和双折射 光 纤等光学 介 质具
有不同频率或偏振 的场分量 的 相互作用
应该用耦
合的非线性薛定谔方程来研究矢量孤子
耦合的
非线性薛定谔方程在波分复用和多通道位并行的光
纤网路中 的 应 用 受 到 了 研 究 人 员 的 广 泛 关 注
此外
耦合的非线性薛定谔方程在等离子体物理
多分 量 玻 色
爱 因 斯 坦 凝 聚
生 物 物 理 学
和 非
线性罗斯比波中均起到一定作用
锁模光纤激光器中有很多脉冲参数
如宽度
啁
啾
相位
位置等
改变这些参数的初始值
激光器的
色散和非线性效应可能会产生很大差异
为了解决
这一问题
孤子的色 散 管理和孤 子 控制的理 念 近年
来得到了快速发展
色散管理的孤子可以通过带有
光
学
学
报
变化的色散 和 非 线 性 项 的 非 线 性 薛 定 谔 模 型 来 描
述
在此基础 上 对 理 论 模 型 进 行 扩 展
得 到 了 带
有增益的色散管理 孤子的理 论 模型
并得到了 基 本
的亮暗孤子解
与常 规孤子相比
色散管理的 矢量孤子不 仅可
以被加速
也可以通 过 放大保持 其 本身的形 状 和弹
性特征
使其更适用于 物 理应用
已有很多 学 者对
基于 色 散 管 理 孤 子 的 模 型
和 非 自 制 孤 子 模
型
进行研究
并取得了大量研究成果
例如非均
匀非线性波导中旋涡光孤子的传 播
还预言了色
散管理孤子在各领域 的应用
年
等
研
究了在变系数非线性薛定谔模型下色散渐减光纤轮
廓对孤子速度的控 制
并通过渐 近 分析验证 了 两个
孤子相互作用的弹性特性
等
发现在变系数
非线性薛定谔方程 中对孤子 进 行控制
当高阶色 散
为高斯函数时
孤 子 具 有 强 相 移 并 形 成 晶 格 结 构
王超等
对非 束 缚 态 空 间 亮 孤 子 的 传 输 稳 定 性 进
行了研究
发现传输 稳 定性与其 背 景平面波 的 横向
渐近传播常数有关
亮孤子和暗孤子之间的相互作
用 可 以 产 生 色 散 辐 射
这 也 在 理 论 上 得 到 了 证
实
此外
广义非自制非线性薛定 谔方程中亮 孤
子和暗孤子的动力学演化也受到广泛关注
石
佳等
采用分布傅里叶方法
对简化的 光纤激光器
模型中亮
暗孤子对的传输特性进行理论研究
与单 分量标量孤 子相比
矢量孤子在 非线性介
质中具有两个或多个分量
由 于 矢 量 孤 子 的 多
分量结构
它们的传 播 和相互作 用 比标量孤 子 更加
丰富
例如
在非线性
介质中
矢
量孤子的形成 需 要 考 虑 到 自 相 位 调 制
和 交
叉相位调制
并且交叉 相位调制可 以使矢
量孤子作为一个单元传播而不发生分 裂
此外
矢量 孤 子 可 以 亮
亮
亮
暗
暗
暗 的 形 式
传播
束缚态
矢量孤子的速度相同
这一点已经得到证实
对不包含增 益的非线性 薛定谔方程 进行变形
由单分量扩展为多分量
在此基础上对 带有增益
或损耗
系数的非线性薛定谔方程进行类似的多分
量扩展
等
已经对不包含增益的多分量
耦合非线性薛定谔方程进行了深入研究
脉冲在实
际传输过程中均会 有能量损 耗
这就大大 限 制了脉
冲的长距离传输
因此
光脉冲传输系统中经常会引
入放大环节
即增益
来补偿系 统 的损耗
以保障脉
冲的长距离 传 输
年
等
对 包
含增益的耦合非线 性薛定谔 方 程进行研 究
但对多
孤子解的形式及其 相 互作用并 未 进行深入 的 讨论
因此
本文将对带有 增 益的多分 量 变系数广 义 耦合
非线性薛定谔方程 进行研究
详细地讨 论 多组分系
统不同形式解的特 性
分析多组 分 系统复杂 的 非线
性相互作用所导致 的脉冲复 杂 传输行为
为更深入
彻底 地 了 解 它 们 的 动 力 学 特 性 提 供 一 定 的 理 论
参考
孤子解及其渐近分析
2.13G
孤子解
无量纲的多组分耦合非线性薛定谔方程为
q
j
z
+
D
z
q
j
tt
+
γR
z
N
l
=
σ
l
|
q
l
|
( )
q
j
=
Γ
z
q
j
式中
q
j
为
j
分 量 场 的 复 振 幅
j
N
N
为多组分耦合非 线 性 薛 定 谔 方 程 的 分 量 数
下 标
z
和
t
分别 表 示 对 归 一 化 距 离 和 归 一 化 时 间 的 偏 导
数
γ
为非 线 性 长 度
σ
l
为 非 线 性 符 号
σ
l
表示 自 散 焦 非 线 性
σ
l
表 示 自 聚 焦 非 线 性
D
z
为群速度色 散
R
z
为 非 线 性 项
Γ
z
为 增
益
或 损 耗
函 数
且
Γ
z
R
z
z
D
z
R
z
D
z
z
R
z
D
z
如果
D
z
和
R
z
是
两个线性独立的函数
则
Γ
z
为非零的 增 益函数
如果
D
z
和
R
z
是两个线性相关的函数
则增益
函数
Γ
z
为零
如果
σ
l
l
N
非线
性的类型只有聚焦型
如果
σ
l
l
m
和
σ
l
l
m
m
N
那么前
m
个分量
为聚焦型
后
N
m
个 分 量 为 散 焦 型
首 先 对
式进行双线性变换
q
j
=
g
j
f
式中
g
j
为关于
z
和
t
的复函数
f
为实函数
把
式代入到
式
得到双线性方程
D
z
+
D
z
D
t
-
λ
é
ë
ê
ê
ù
û
ú
ú
g
j
f
=
Γ
z
g
j
f
D
z
D
t
-
λ
é
ë
ê
ê
ù
û
ú
ú
f
f
=
γR
z
N
l
=
σ
l
g
l
g
l
ì
î
í
ï
ï
ï
ï
ï
式中
代表 复 共轭
λ
为 关 于
z
的 函 数
D
z
和
D
t
是
算符
D
m
z
D
n
t
a
z
t
b
z
t
=
a
z
-
b
z
m
×
a
t
-
b
t
n
a
z
t
b
z
t
式中
a
z
t
和
b
z
t
为 可 微 函 数
为 了 求 解
光
学
学
报
式
对
g
j
和
f
进行幂级数展开
g
j
=
ε
g
j
+
ε
g
j
+
ε
g
j
j
=
g
l
=
g
l
+
ε
g
l
+
ε
g
l
+
ε
g
l
l
=
f
=
+
ε
f
+
ε
f
+
ε
f
式中
g
j
g
j
g
j
g
l
g
l
g
l
g
l
f
f
f
均为幂 指 数 函 数
ε
为 幂 级 数 展 开 参 数
取
N
代表
式 的 解 共 有
个 分 量
把
式 代 入
式
可以得到
式的
孤子解
即每个分量 都
包含
个孤子
j
为亮孤子 解 分量
l
为暗
孤子解分量
本文令
ε
两亮一暗分量的
孤子
解分别为
q
j
=
g
j
+
g
j
+
g
j
+
f
+
f
+
f
j
=
q
=
g
+
g
+
g
+
g
+
f
+
f
+
f
令群速度色散
D
z
σz
kz
和非线
性项
R
z
kz
则
D
z
和
R
z
为线性无关
的函数
Γ
z
为 非 零 函 数
选 取
k
σ
.
式和
式中的其他参 数见附录
其中
η
η
η
为解的本征值
θ
θ
θ
φ
为关于
z
和
t
的函数
α
j
z
α
j
z
α
j
z
β
j
β
j
β
j
β
j
β
j
β
j
β
j
β
j
β
j
κ
j
κ
j
κ
j
χ
z
是 关 于 变
量
z
的函数
r
r
r
r
r
r
r
r
r
δ
δ
δ
δ
δ
δ
δ
δ
δ
ρ
ρ
ρ
ρ
ρ
ρ
ρ
ρ
ρ
p
p
p
p
p
p
p
p
p
v
u
ω
ω
ω
均为化简后的变量表达式
a
α
j
α
j
α
j
χ
为
解的参数
2.23G
孤子解的渐近分析
为了更好地 理解色散管 理孤子的动 力学特性
还需对孤子进行 渐 近分析
研究粒子 的 行为
在标
量非均匀非线性薛 定谔方程 中
孤子的速 度 变化与
色散函 数
D
z
有关
如果
D
z
为周期性函 数
则
孤子的传输也具有 周期性
但是多分 量 系统中还 有
很多有趣的特性
当
个孤子完 全 分离
不存在相
互作用时
可以获得它们的渐 近 行为
根据
孤子
解的形式
渐近分析构造如下
相互作用前
z
¥
T
-
j
α
j
D
z
γR
z
θ
+
δ
θ
+
θ
j
=
θ
+
θ
θ
+
θ
+
θ
+
θ
-
¥
T
-
χ
D
z
γR
z
φ
+
r
θ
+
θ
+
δ
θ
+
θ
θ
+
θ
θ
+
θ
+
θ
+
θ
-
¥
M
-
j
β
j
θ
+
β
j
θ
+
κ
j
θ
+
θ
+
θ
+
κ
j
θ
+
θ
+
θ
δ
+
p
θ
+
θ
+
p
θ
+
θ
+
p
θ
+
θ
+
p
θ
+
θ
+
u
θ
+
θ
+
θ
+
θ
j
=
θ
+
θ
+
θ
+
θ
θ
+
θ
+
¥
M
-
χ
D
z
γR
z
φ
r
+
ρ
θ
+
θ
+
ρ
θ
+
θ
+
ρ
θ
+
θ
+
ρ
θ
+
θ
+
v
θ
+
θ
+
θ
+
θ
δ
+
p
θ
+
θ
+
p
θ
+
θ
+
p
θ
+
θ
+
p
θ
+
θ
+
u
θ
+
θ
+
θ
+
θ
θ
+
θ
+
θ
+
θ
θ
+
θ
+
¥
式中
T
j
和
M
j
分别为常规亮孤子和束缚态亮孤子在相互作用之前的渐近表达式
T
和
M
分别为常规
暗孤子和束缚态暗孤子在相互作用之前的渐近表达式
相互作用后
z
¥
T
+
j
κ
j
θ
p
+
u
θ
+
θ
j
=
θ
+
θ
+
θ
+
θ
+
¥
θ
+
θ
T
+
χ
D
z
γR
z
φ
v
θ
+
θ
p
+
u
θ
+
θ
θ
+
θ
+
θ
+
θ
+
¥
θ
+
θ
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