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1、光子晶格中新颖的空间带隙孤子 光子晶格中新颖的空间带隙孤子是小柯论文网通过网络搜集，并由本站工作人员整理后发布的，光子晶格中新颖的空间带隙孤子是篇质量较高的学术论文，供本站访问者学习和学术交流参考之用，不可用于其他商业目的，光子晶格中新颖的空间带隙孤子的论文版权归原作者所有，因网络整理，有些文章作者不详，敬请谅解，如需转摘，请注明出处小柯论文网，如果此论文无法满足您的论文要求，您可以申请本站帮您代写论文，以下是正文。 摘 要光子晶格作为一种光学周期性离散体系，具有通常均匀介质所无法比拟的独特性质，它为空间离散孤子、表面波以及衍射操控等一系列线性和非线性离散动力学行为的实验观测提供了便利条件，同
2、时在全光路由、全光开关和光子计算机等方面具有重要的应用前景.文章简要回顾了南开大学的研究小组近期在二维光子晶格中有关空间带隙孤子的一系列研究工作，包括二维基本带隙孤子、类偶极带隙孤子、带隙孤子串以及涡旋带隙孤子等.在有的实验过程中，文章作者清晰地观测到探测光束的频谱整形，波常数从具有反常衍射的导带底部演化到光子禁带中，并且通过干涉图反映的相位关系验证了带隙孤子形成.实验的结果可以为其他离散系统中带隙孤子态的观测提供有益参考和启示.关键词光子晶格，带隙结构，空间带隙孤子Novel spatial gap solitons in photonic latticesLOU Ci|BoSONG Dao
3、|HongTANG Li|QinCHEN Xing|YuXU Jing|JunCHEN Zhi|Gang(The Key Laboratory of Weak|Light Nonlinear Photonics, Ministry of Education and TEDA Applied Physical School, Nankai University, Tianjin 300457, China)AbstractWe briefly review our recent work on a series of spatial gap solitons in two|dimensional
4、 optically induced photonic lattices, including fundamental gap solitons, dipole|like gap solitons, gap soliton trains, and gap vortex solitons. In some cases, spectrum reshaping and bifurcation of spatial solitons from the bottom of the 1st transmission band with anomalous diffraction to the forbid
5、den gap is experimentally observed. The |staggered phase structures of the gap solitons are confirmed with the interferograms. Our experimental results are in good agreement with the theoretical predications.Keywordsphotonic lattice, band|gap structure, spatial gap solitons1 引言近年来，周期性离散系统中的波传播动力学过程已
6、经成为物理科学研究的前沿课题之一.其研究领域涉及生物学1、凝聚态物理2、光子晶体3、玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）4等等.另一方面，长期以来,利用周期性光学结构控制光波的传输,一直是一个重要的科学设想5，并有着极其重要的实用价值6.最近除了光子晶体和光栅结构以外，在光学系统中,周期性波导阵列（即光子晶格）作为另一类周期性光学结构引起人们的广泛关注和研究7.光波在光子晶格中的传播行为表现出与在均匀介质中截然不同的现象6.即使在线性情况下，不同角度入射的光会表现出正常和反常的衍射行为8.在非线性光子晶格中，当离散衍射与非线性自聚焦相平衡时，光波就可以在光子晶格中以离散孤子态的形式传播9.在其他非线
7、性周期性离散系统中（如生物链式结构、晶体离子周期势、周期光场下的图1 实验光路示意图（/2为半波片,PBS为偏振分光棱镜,M为反射镜,L为透镜,BS为分光棱镜,RD为旋转散射板,PZT为压电反射镜,MS为强度掩模板,SBN为铌酸锶钡晶体,右上角为二维晶格诱导光）BEC等），人们同样预言或证实了离散孤子的存在.在一维波导阵列中,首次实验验证了空间离散孤子以后7, 10，人们预言在光诱导的光子晶格中也能实现这种离散孤子11.光诱导光子晶格是利用多光束干涉1214或部分相干光成像15, 16形成周期光场辐照，并通过光折变材料的电光效应在体材料中诱导出具有各种结构的光子晶格（包括一维和二维结构），典型
8、的实验光路如图1所示.由于其实时可调，还具有可引入缺陷等优点，使得光诱导的光子晶格为离散孤子的研究提供了非常理想的介质，随后相关的实验工作相继展开.光子晶格的带隙结构（图2(c)）不同于光子晶体在时间频域上的色散曲线带隙结构，它是对于单频光在空间频域上衍射曲线的带隙结构1719.这类光子带隙结构表现出很多独特而有趣的物理性质，如反常衍射和负折射等.那么将均匀介质中的空间孤子引入这样的离散光学系统将会出现什么新的现象呢？当光束入射到光子晶格格点后，光束将被耦合到邻近波导中去，在线形条件下表现为离散衍射20；而光束自身的非线性效应与其相平衡时，将达到离散孤子或带隙孤子态.离散孤子系列的相关研究我们
9、已有系统报道20；其传播常数均位于半无穷禁带（起因于全内反射效应）中（图2(c)中的第一布洛赫带以上部分），并且可以被看作非线性自诱导缺陷模式.空间带隙孤子是离散衍射和非线性自作用相平衡的结果，它的传播常数落在布拉格反射禁带中（图2(c)第一和第二布洛赫带之间或更高阶的禁带中）2124.从图2(c)可以看出，空间带隙孤子可以通过非线性自聚焦与正常衍射相互平衡22, 23（从第二布洛赫带顶X2点进入第一禁带）或自散焦与反常衍射相互平衡来实现21,24 （从第一布洛赫带底M1点进入第一禁带）.带隙孤子可以利用探测光以布拉格角入射，直接从第一布里渊区边界激发21，也可以采用我们最近实验中的正入射配置
10、激发方式（不经过任何相位整形）来实现24.本文简要回顾我们近期在光诱导“脊背”型光子晶格中的一系列带隙孤子的研究结果.首先介绍 “脊背”型二维光子晶格的制备，然后分别介绍利用非线性自散焦与反常衍射平衡得到的二维基本带隙孤子、类偶极带隙孤子、带隙孤子串以及涡旋带隙孤子.2 二维光子晶格的制备迄今为止，随着半导体微纳制备技术的成熟，在半导体衬底材料上制备一维的波导阵列已经成为可能.事实上，第一次观测空间离散孤子的实验就是在一维AlGaAs半导体波导阵列中实现的7,10.为了观测更高维度的离散孤子，很自然人们就要设想如何在体材料中制备出二维甚至三维的波导阵列结构，为此人们提出利用弱光非线性效应在光折
11、变材料中以光诱导的方式来制备二维的光子晶格11.随后人们采用多相干光束干涉诱导的方法成功地制备了二维光子晶格12, 13.然而相干光诱导的光子晶格由于存在高非线性情况下无法稳定的弊端，逐渐被部分相干光成像的诱导方式所取代，并实现了二维离散孤子25, 26.后一种方式不仅解决了光子晶格稳定性的问题，还可以通过设计不同的掩模板制备出带有点、线缺陷的光子晶格，为光子晶格缺陷态的研究提供了可能.实验中，我们采用部分相干光成像的方式 来制备光子晶格，下面介绍一下我们的实验装置.实验中所采用的光路配置如图1所示.连续激光束（波长为488 nm 或532 nm）被偏光分光棱镜分成正交偏振的两束光.其中一束聚
12、焦后通过旋转的散射板照射到二维强度掩模板上，然后将掩模成像到工作介质光折变SBN:60晶体的前表面，作为二维晶格诱导光（如图1右上角插图）.同时，沿晶体c轴方向施加电压，以提供实验所需的非瞬态屏蔽光折变效应27，从而在晶体中诱导光子晶格.另一束作为孤子的激发光束（也称为探测光），入射到光诱导的光子晶格中，为了激发出不同的带隙孤子态，激发光可以是单光束或双束光以不同的方式入射.通过晶体的光束经过成像系统后，由CCD监测光子晶格和带隙孤子的形成.另外，从激发光束引出一束参考光，与晶体后表面处的探测光束干涉，以确定探测光的相位分布情况，为带隙孤子的确认提供依据.同时还可以通过在CCD前加傅里叶透镜（
13、虚线），观测探测光的空间频谱分布，来确定带隙孤子的形成，这是由带隙结构特征和布洛赫模式决定 光子晶格中新颖的空间带隙孤子是小柯论文网通过网络搜集，并由本站工作人员整理后发布的，光子晶格中新颖的空间带隙孤子是篇质量较高的学术论文，供本站访问者学习和学术交流参考之用，不可用于其他商业目的，光子晶格中新颖的空间带隙孤子的论文版权归原作者所有，因网络整理，有些文章作者不详，敬请谅解，如需转摘，请注明出处小柯论文网，如果此论文无法满足您的论文要求，您可以申请本站帮您代写论文，以下是正文。的，将在下文中给出解释.另外，采用冷光源发出的白光照射晶体，来精细调控光折变非线性的强弱2530.需要说明的是，为了利
14、用SBN晶体的各向异性特点，实验中光子晶格的诱导光和探测光的偏振态始终分别保持为寻常光和异常光.在SBN晶体中，光诱导的折射率变化对于异常光和寻常光分别为ne=0.5ne333E0(1+I)-1和no=0.5no313E0(1+I)-1 11，其中E0是沿晶体c轴方向的外加电场（正、负分别对应自聚焦和自散焦非线性），I为背景光强度归一化后的光强.由于非线性电光系数33和13存在很大差异，在同样条件下,光诱导的折射率变化对于异常光约为寻常光的10倍.因此，用于诱导光子晶格的寻常偏振的周期光场在SBN晶体中传播时，可以近似认为是线性的，而对于异常偏振的探测光则表现出很强的非线性.这样大大提高了光子
15、晶格的稳定性，实验上也得到了证实3136.因此就能够在保证光诱导光子晶格稳定性的同时，对探测光的非线性效应进行实时观测.3 带隙孤子的实验观测实验中我们沿晶体c轴方向施加反向电压以提供实验所需的自散焦非线性效应，从而在晶体中形成与晶格诱导光光强（图1右上角插图）相反的折射率分布，即“脊背”型光子晶格.图2(a) 给出了该光子晶格折射率分布，其中的高折射率区互相连通；图2(b)给出了光子晶格的第一布里渊区以及高对称点的示意图.图2(c)给出了晶格第一和第二阶导带的衍射关系分布，其中各带的高对称点由实心圆点标出，箭头表示激发光是如何从导带进入到禁带，从而形成离散或带隙孤子的.从图2(c)不难看出，带隙孤子既可以从第一阶导带的底部（M1对称点）通过非线性自散焦效应与反常衍射
