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基于具有非线性自聚焦 (自散焦) 效应的光波传输模型,经无量纲化后得到一个(2+1)维变系数非线性薛定谔方程。引进相似变换,将该方程变换为标准的(2+1)维非线性薛定谔方程;在此基础上通过数值模拟分别研究了涡核间距和初始相位差对2个涡旋光孤子、4个涡旋光孤子、5个涡旋光孤子和6个涡旋光孤子相互作用的影响。对结果进行分析得出新的结论:1)涡旋光孤子在传播时保持形状不变,具有自相似特性;2)多个涡旋孤子沿着z轴方向传播时,会发生相互作用,只有当涡核之间的距离小于某持定值时,相互作用明显,当涡旋之间存在相位差时,涡旋孤子之间在传播过程中会发生能量转移,有的部分被加强,有的部分被减弱。
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书书书
第
33
卷
第
4
期
光
学
学
报
Vol.33
,
No.4
2013
年
4
月
犃犆犜犃犗犘犜犐犆犃犛犐犖犐犆犃
犃
狆
狉犻犾
,
2013
非均匀非线性波导中涡旋光孤子的相互作用传播
张解放
1
,
2
赵
辟
2
胡文成
2
楼吉辉
2
1
浙江传媒学院互联网与社会研究中心,浙江 杭州
310018
2
浙江师范大学非线性物理研究所,浙江 金华
( )
321004
摘要
基于具有非线性自聚焦 (自散焦)效应的光波传输模 型,经 无量纲 化后 得到一 个(
2+1
)维变 系数 非 线性 薛
定谔方程。引进相似变换,将该方程变换为标准的(
2+1
)维非 线性 薛 定谔 方程;在此 基础 上 通过 数值 模 拟分 别研
究了涡核间距和初始相位差对
2
个涡旋光孤子、
4
个涡旋光孤子、
5
个涡旋光孤子 和
6
个涡 旋光 孤子相 互作 用的影
响。对结果进行分析得出新的结论:
1
)涡旋光孤子在传播时保持形状不变,具有 自相 似特性;
2
)多个 涡旋 孤子沿 着
狕
轴方向传播时,会发生相互作用,只有当涡核之间的距离小于某持定值时,相互作用明显,当涡旋之间存在相 位差
时
,涡旋孤子之间在传播过程中会发生能量转移,有的部分被加强,有的部分被减弱。
关键词
非线性光学;变系数非线性薛定谔方程;相似变换;涡旋光孤子;相互作用
中图分类号
O437
文献标识码
A
犱狅犻
:
10.3788
/
犃犗犛201333.0419001
犐狀狋犲狉犪犮狋犻狅狀犘狉狅
狆
犪
犵
犪狋犻狅狀狅犳犗
狆
狋犻犮犪犾犞狅狉狋犲狓犛狅犾犻狋狅狀狊犻狀犐狀犺狅犿狅
犵
犲狀犲狅狌狊
犖狅狀犾犻狀犲犪狉 犠犪狏犲
犵
狌犻犱犲狊
犣犺犪狀
犵
犑犻犲犳犪狀
犵
1
,
2
犣犺犪狅犅犻
2
犎狌 犠犲狀犮犺犲狀
犵
2
犔狅狌犑犻犺狌犻
2
1
犆犲狀狋犲狉狅
犳
犐狀狋犲狉狀犲狋犪狀犱犛狅犮犻犲狋
狔
,
犣犺犲
犼
犻犪狀
犵
犝狀犻狏犲狉狊犻狋
狔
狅
犳
犕犲犱犻犪犪狀犱犆狅犿犿狌狀犻犮犪狋犻狅狀狊
,
犎犪狀
犵
狕犺狅狌
,
犣犺犲
犼
犻犪狀
犵
310018
,
犆犺犻狀犪
2
犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅
犳
犖狅狀犾犻狀犲犪狉犘犺
狔
狊犻犮狊
,
犣犺犲
犼
犻犪狀
犵
犖狅狉犿犪犾犝狀犻狏犲狉狊犻狋
狔
,
犑犻狀犺狌犪
,
犣犺犲
犼
犻犪狀
犵
321004
,
烄
烆
烌
烎
犆犺犻狀犪
犃犫狊狋狉犪犮狋
犅犪狊犲犱狅狀犪狀狅
狆
狋犻犮犪犾狋狉犪狀狊犿犻狊狊犻狅狀犿狅犱犲犾狑犻狋犺狀狅狀犾犻狀犲犪狉狊犲犾犳犳狅犮狌狊犻狀
犵
(
狊犲犾犳犱犲犳狅犮狌狊犻狀
犵
)
犲犳犳犲犮狋狊
,
犪
(
2+1
)
犱犻犿犲狀狊犻狅狀犪犾狀狅狀犾犻狀犲犪狉 犛犮犺狉犱犻狀
犵
犲狉 犲
狇
狌犪狋犻狅狀犻狊 狅犫狋犪犻狀犲犱 狌狀犱犲狉 狀狅狀犱犻犿犲狀狊犻狅狀犪犾犻狕犪狋犻狅狀.犜犺犲
(
2+ 1
)
犱犻犿犲狀狊犻狅狀犪犾
狏犪狉犻犪犫犾犲犮狅犲犳犳犻犮犻犲狀狋狀狅狀犾犻狀犲犪狉犛犮犺狉犱犻狀
犵
犲狉犲
狇
狌犪狋犻狅狀犻狊狋狉犪狀狊犳狅狉犿犲犱犻狀狋狅狋犺犲狊狋犪狀犱犪狉犱
(
2+1
)
犱犻犿犲狀狊犻狅狀犪犾狀狅狀犾犻狀犲犪狉
犛犮犺狉犱犻狀
犵
犲狉犲
狇
狌犪狋犻狅狀犫
狔
狌狊犻狀
犵
狊犻犿犻犾犪狉犻狋
狔
狋狉犪狀狊犳狅狉犿犪狋犻狅狀.犐狀狋犲狉犪犮狋犻狅狀狊犫犲狋狑犲犲狀狋狑狅狅
狆
狋犻犮犪犾狏狅狉狋犲狓狊狅犾犻狋狅狀狊
,
犪犿狅狀
犵
犳狅狌狉
,
犳犻狏犲犪狀犱狊犻狓狅
狆
狋犻犮犪犾狏狅狉狋犲狓狊狅犾犻狋狅狀狊犻狀狋犺犲狑犪狏犲
犵
狌犻犱犲狊犪狉犲犱犻狊犮狌狊狊犲犱狑犻狋犺犱犻犳犳犲狉犲狀狋狏狅狉狋犲狓犮狅狉犲狊
狆
犪犮犻狀
犵
犪狀犱犻狀犻狋犻犪犾
狆
犺犪狊犲犱犻犳犳犲狉犲狀犮犲
,
狉犲狊
狆
犲犮狋犻狏犲犾
狔
,
犫
狔
狀狌犿犲狉犻犮犪犾狊犻犿狌犾犪狋犻狅狀.犛狅犿犲狀犲狑犮狅狀犮犾狌狊犻狅狀狊犪狉犲狅犫狋犪犻狀犲犱狋犺狉狅狌
犵
犺犪狀犪犾
狔
狕犻狀
犵
狋犺犲
犪犫狅狏犲狉犲狊狌犾狋狊.1
)
犜犺犲狊犺犪
狆
犲狅犳狏狅狉狋犲狓狊狅犾犻狋狅狀狑犻狋犺狊犲犾犳狊犻犿犻犾犪狉犮犺犪狉犮狋犲狉犻狊狋犻犮狊狊狌狊狋犪犻狀犱狌狉犻狀
犵
狋犺犲
狆
狉狅
狆
犪
犵
犪狋犻狅狀犪犾狅狀
犵
狕
犪狓犻狊.2
)
犕狌犾狋犻
狆
犾犲狏狅狉狋犲狓狊狅犾犻狋狅狀狊犻狀狋犲狉犪犮狋狑犻狋犺犲犪犮犺狅狋犺犲狉犱狌狉犻狀
犵
狋犺犲
狆
狉狅
狆
犪
犵
犪狋犻狅狀犪犾狅狀
犵
狕
犪狓犻狊犲狊
狆
犲犮犻犪犾犾
狔
狑犺犲狀狋犺犲
犱犻狊狋犪狀犮犲 狑犻狋犺犻狀 狋犺犲犿 犻狊 狊犿犪犾犾犲狉 狋犺犪狀 犪 犱犲犳犻狀犻狋犲 狏犪犾狌犲
,
犿犲犪狀狑犺犻犾犲 狋犺犲 犲狀犲狉
犵狔
犳犾狅狑 犪犿狅狀
犵
狋犺犲犿.犛狅犿犲 犪狉犲
狊狋狉犲狀
犵
狋犺犲狀犲犱
,
犪狀犱狊狅犿犲犪狉犲狑犲犪犽犲狀犲犱.
犓犲
狔
狑狅狉犱狊
狀狅狀犾犻狀犲犪狉狅
狆
狋犻犮狊
;
狏犪狉犻犪犫犾犲犮狅犲犳犳犻犮犻犲狀狋狀狅狀犾犻狀犲犪狉犛犮犺狉犱犻狀
犵
犲狉犲
狇
狌犪狋犻狅狀
;
狊犻犿犻犾犪狉犻狋
狔
狋狉犪狀狊犳狅狉犿犪狋犻狅狀
;
狅
狆
狋犻犮犪犾
狏狅狉狋犲狓狊狅犾犻狋狅狀
;
犻狀狋犲狉犪犮狋犻狅狀
犗犆犐犛犮狅犱犲狊
190.4370
;
190.6135
收稿日期:
20121031
;收到修改稿日期:
20121214
基金项目:国家自然科学基金(
11072219
)资助课题。
作者简介:张解放(
1959
—),男,博士,教授,博士生导师,主要从事非线性动力学方面的研究。
Email
:
j
fzhan
g
2002
@
y
ahoo.com.cn
1
引
言
涡旋 普遍存在于 自然界中,常 见的有 水中 的旋
涡、飓风和台风等。涡旋与波的相位奇异性相关联,
在相位奇异点(或线)上 相 位是不确 定 的,但 场的振
幅
(即强度)为零
[
1
]
。光在介质中传播的电场强度可
以用非线性薛定谔方程(
NLSE
)来描述,因为
NLSE
在某些条件下具有 涡旋形式 的 解,所 以人们自 然 推
断在光学中也可能出现涡旋现象
[
2
~
4
]
。事实确是如
04190011
光
学
学
报
此,在非线性介质中,由于衍射效应与非线性效应的
相互平衡,这些螺旋 位 错会导 致 自 陷涡旋 光 束 的产
生,形成空 间 涡 旋 光 孤 子
[
5
~
7
]
。这些涡旋光 束 相 位
呈螺旋结构且原点 处存在奇 点,代 表 波前的相 位 位
错,中心场强为零,并以环状形式局域化 传播(即 场
强无限衰 减)
[
8
,
9
]
。 现 在 涡 旋 光 孤 子 已 经 在 实 验 中
得到验证
[
10
~
15
]
。
本文以具有非线性自聚焦 (自散焦)效应的光波
传输模型 (
2+1
)维变系数
NLSE
为模型,运用相
似变换,将(
2+1
)维 变系数
NLSE
转化成标准形式,
并求出变系数
NLSE
近似的自相似涡旋解,最后通过
数值模拟讨论涡旋光孤子传播中的相互作用行为,并
给出分析结论。
2
非均匀非线性波导中的光波传输方
程及其相似变换
对于一个具有克尔非线性的波导,其折射率满足
狀
(
狓
,
狔
,
狕
)
=
狀
0
+
狀
2
犚
(
狕
)
犐
(
狓
,
狔
,
狕
), (
1
)
式中
犐
(
狓
,
狔
,
狕
)为 光 场 强 度,
狀
0
为 折 射 率 的 线 性 部
分,
狀
2
犚
(
狕
)
犐
(
狓
,
狔
,
狕
)为克尔 非 线性部分。
狀
2
为 克 尔
非线性系数,
狀
2
取正(负)对 应着非线 性 自聚焦(自
散焦)介质。函数
犚
(
狕
)
>
0
是一个无量 纲函数,描
述非线性 克 尔 系 数 的 非 均 匀 性。 在 慢 变 包 络 近 似
下,能够得到在非均 匀 非线性 波 导 中的光 波 传 输方
程
[
16
~
18
]
:
i
狌
狕
+
β
(
狕
)
犽
0
2
狓
,
狔
狌
+
犽
0
狀
2
狀
0
犚
(
狕
)
狌
2
狌
=
i
犵
(
狕
)
狌
,
(
2
)
式中
狓
,
狔
为涡旋的实际横纵坐标,
狕
为实际传播距离,
狌
(
狓
,
狔
,
狕
)为光场的振幅,
犽
0
=
2
π
狀
0
/
λ
为波数,
β
(
狕
)为
衍射系数
,
犚
(
狕
)为非线性系数,
犵
(
狕
)为增益/损耗参
数,
犵
(
狕
)
>
0
意味着增益,而
犵
(
狕
)
<
0
意味着损耗,它
们都是传播距离
狕
的函数,
2
狓
,
狔
狌
=
2
狌
狓
2
+
2
狌
狔
2
为拉普
拉 斯 算 子。 引 入 变 换
犝
(
犡
,
犢
,
犣
)
=
犽
0
狀
2
/
犔
D
狀
槡
0
狌
(
狓
,
狔
,
狕
),
犡
=
狓
/
狑
0
,
犢
=
狔
/
狑
0
,
犣
=
狕
/
犔
D
,
犌
(
犣
)
=
犵
(
狕
)/
犔
D
,式中
狑
0
=
(
2
犽
2
0
狀
1
/
狀
0
)
-
1
/
4
和
犔
D
=
犽
0
狑
2
0
分别为横向特征长度和衍射长度,
犡
,
犢
为
传播平面上归一化的横纵坐标,
犣
为归一化的传播距
离。可以将(
2
)式无量纲化为
i
犝
犣
+
β
(
犣
)
2
犡
,
犢
犝
+
σ
犚
(
犣
)
犝
2
犝
=
i
犌
(
犣
)
犝
,
(
3
)
式中
σ
=±
1
分别对应于介质的自聚焦(
+
)和自散焦
(
-
),
β
(
犣
),
犚
(
犣
),
犌
(
犣
)均为传播距离
犣
的函数。为了
将变系数
NLSE
转换成标准的
NLSE
,采用变换
犝
=
槡
β
槡
犠 犚
(
ξ
1
,
ξ
2
,
η
)
ex
p
[
i
φ
(
犡
,
犢
,
犣
)], (
4
)
ξ
1
=
犡
-
犡
C
(
犣
)
犠
(
犣
)
,
ξ
2
=
犢
-
犢
C
(
犣
)
犠
(
犣
)
,
η
=
η
(
犣
),
φ
=
犅
1
(
犣
)
+
犅
2
(
犣
)
犡
+
犅
3
(
犣
)
犢
+
犅
4
(
犣
)(
犡
2
+
犢
2
), (
5
)
式中
犠
(
犣
)和
犡
C
(
犣
),
犢
C
(
犣
)为宽度和中心位置,它
们也都是
犣
的 函 数。
(
ξ
1
,
ξ
2
,
η
)是 复 函 数,
φ
(
犡
,
犢
,
犣
)代表着相位。将变换(
4
)式和(
5
)式代入(
3
)式,并
且在满足
2
犠
犣
2
-
1
β
β
犣
=
0
,
η
犣
=
β
犠
2
, (
6
)
犡
C
犣
=
β
犅
2
+
2
β
犅
4
犡
C
,
犢
C
犣
=
β
犅
3
+
2
β
犅
4
犢
C
,
(
7
)
犅
1
犣
=-
1
2
β
(
犅
2
2
+
犅
2
3
),
犅
2
犣
=-
2
β
犅
2
犅
4
,
犅
3
犣
=-
2
β
犅
3
犅
4
,
犅
4
犣
=-
2
β
犅
2
4
(
8
)
时(
3
)式可以约化为(
2+1
)维标准的
NLSE
i
η
+
2
ξ
1
,
ξ
2
+
σ
2
=
0
, (
9
)
式中
2
ξ
1
,
ξ
2
=
2
ξ
2
1
+
2
ξ
2
2
,系数
β
(
犣
),
犚
(
犣
),
犌
(
犣
)满
足
犌
=
1
2
(
β
犣
β
-
犚
犣
犚
)。(
6
)
~
(
8
)式经过一些简单的代
数运算可以得到
犠
=
犆
1
+
犆
2
∫
犣
0
β
(
狊
)
d
狊
, (
10
)
犡
C
=
犢
C
=
犆
4
犠
-
2
犆
3
犆
2
, (
11
)
犅
1
=
2
犆
2
3
犆
2
犠
+
犆
4
,
犅
2
=
犅
3
=
犆
3
犠
,
犅
4
=
1
4
犆
2
犠
,
(
12
)
式中
犆
1
,
犆
2
,
犆
3
,
犆
4
为任意常数。
将(
9
)式写成极坐标的形式
i
η
+
2
ρ
2
+
1
ρ
ρ
+
1
ρ
2
2
θ
2
+
2
=
0.
(
13
)
取
σ
=
1
,
ρ
2
=
ξ
2
1
+
ξ
2
2
,
η
为传播方向,函数
(
ρ
,
θ
,
η
)
的形式写作
(
ρ
,
θ
,
η
)
=
犳
(
ρ
)
ex
p
[
i
(
犿
θ
+
犓
0
η
)],
犿
为整数,称作拓扑指数,描述相位变化的快慢,
犓
0
为
传播常数。根据涡旋的性质
犳
(
ρ
)
~
α
ρ
犿
+
狅
(
ρ
犿
+
2
),
ρ
→
0
0
,
ρ
→
∞
{
,
04190012
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