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[摘要] 本文主要介绍了近些年来光束在向列相液晶中传输的研究进展,说明了空间光孤子和向列相液晶的特殊性质以及对其研究的重要性和必要性,最后展望了空间光孤子在向列相液晶中的广泛应用前景。
[关键词]光孤子 呼吸子 非局域非线性 向列相液晶
一、引言
在空间光孤子的研究当中,非局域孤子非常引人注目。非局域空间光孤子是存在于空间非局域非线性介质中的光孤子,本质是光场与非局域介质相互作用,介质的非局域响应所引起的非线性作用产生的空间光孤子。也就是空间光束在非线性介质中传输时会由于衍射效应而发散,然而,介质的非线性效应又会对光束产生汇聚的作用。当衍射效应与非线性效应达到平衡时,光束便会在介质中形成一种自陷或自导的稳定传输状态的现象,即空间光孤子;若非线性效应引起的光束自聚焦与光的衍射效应不能相互抵消但又相差不大时,光束束宽就会作周期性的压缩或者展宽,这种束宽作周期性的“振荡”的光束被称为呼吸子。
向列相液晶(NLCs)作为一种优质的非局域非线性材料,这主要来源于液晶分子在激光作用下的重取向过程,它可以实现空间光孤子在其中稳定传输,利用传输时的相关性质可以制成全光控制器件。因此,对向列相液晶中空间光束的性质和行为进行研究是很有必要的。
随着液晶材料的广泛应用,人们开始了对液晶材料中的空间光孤子现象的研究,并陆续取得了许多有意义的研究成果。
二、理论及实验研究进展
1997年,Snyder和Mitchell对光束在强非局域介质中的传输作了杰出的贡献,把复杂的非线性问题化为简单的线性问题,他们的开拓性工作得到了沈元壤的高度评价,此后非局域光孤子的研究成为了孤子领域研究的一大热点。
1998年,M.A.Karpierz等人在液晶盒中观察到光束自陷现象,所用光源为波长为842nm的半导体激光器,样品盒中液晶分子的指向矢垂直于两玻璃基片。纤维偏振器控制入射光在液晶盒中的激发模式为最基本的TE和TM之一。对TE波,当入射光波能量为20mW时观察到了自聚焦现象;而对TM模式,自聚焦现象发生在30mW附近,并形成了稳定的自陷光束。
2000年,G. Assanto小组进行了相关的实验研究,他们首先用偏压控制液晶,在液晶获得毫瓦级低激发功率的孤子,他们的实验装置如图1所示,这一研究迈出了液晶中孤子研究坚实的一步。
2001年,M.Peccianti和G. Assanto又发现了向列相液晶中非相干空间光孤子,对其产生的条件进行了详细的阐述。同时,他们也研究了光波导中的孤子转向。由于这种波导是由光孤子引发的,所以,通过控制孤子产生光束的方向,就可以达到控制波导中信号光束传播方向的目的。研究显示,对于一个功率为2mW,沿x轴方向偏振,沿z轴传播的氩离子光束孤子,氦氖激光器发出的信号光入射时与z轴的偏离在±2.25°之内,信号光仍可实现自陷。这种光控光转向的方法在光网络中的信号传输、解调等方面有着广泛的应用前景。
2002年,M.A.Karpierz等在垂直取向的向列相液晶盒中观察到了二维空间光孤子的形成,此外还利用正交偏振片和外部照明设备系统地分析了向列相液晶分子的光致重新取向效应。
2003年,G. Assanto和M.Peccianti在低能量入射光的照射下,在液晶盒中观察到了空间光孤子的形成。液晶盒的构造如图2所示,液晶分子的指向矢平行于液晶盒两玻璃基片。两玻璃基片外层涂有一层ITO透明薄膜作为透明电极,在其上面加以低频偏置电压。左边的玻璃片与光波的传播方向垂直,决定了光波的入射平面及入射面上液晶分子的取向,并有效地防止入射光退偏效应的产生;涂在内表面的氧化硅膜保证其附近的液晶分子平行排列并保持不变。两玻璃基片之间所加的电压约为1V,频率为1000HZ,所使用的液晶为E7非吸收向列相液晶。他们用氩离子激光器输出2mW的入射光经过液晶盒,就观察到了空间光孤子的产生。
2004年,郭旗等人对强非局域孤子的理论研究又做了进一步的贡献,他们发现了强非局域空间光孤子在传输过程中会产生非常大的相移。另外,他们小组还利用非局域空间光孤子作用特性提出了实现光子开关、光子逻辑门的新理论方案以及讨论了器件的优化设计等问题。G. Assanto等人把重取向角展开到二阶,得到了孤子方程,在临界功率附近将孤子方程线性化,最终得到了呼吸子束宽振荡公式,实验上他们在临界功率附近测量了呼吸子束宽振荡周期,并和他们把孤子方程线性化之后得到的周期公式作了对比,拟合出液晶盒的耦合系数为0.07。
2005年,Ku等人从理论和实验上都证明了通过改变孤子间的相干性可以控制孤子间的相互作用。因此,两个反相孤子相互吸引或排斥取决于相干系数是高于还是低于阈值。基于(1+1)维的NLC模型,Rasmussen等在理论上预测了这种取决于非局域性的相似的相互作用特性,即存在一个临界非局域系数,高于此系数两反相孤子也会相互吸引。
2006年,胡巍、郭旗等人通过定义一个非局域非线性特征长度,理论上得到了通过偏压控制液晶分子的预倾角可以改变液晶的非局域程度。在实验上,他们发现存在着一个临界非局域程度,当超过这个临界非局域程度时,两个反相孤子会由相互排斥变成相互吸引,如图3所示。
2007年至今,胡巍小组的成员陆续对光束在向列相液晶中的传输进行了研究,在实验中观察到了空间光孤子,并观察到了其相互作用的情况,在理论上算出了向列相液晶中空间光孤子解和临界功率、(1+1)维呼吸子解、(1+2)维呼吸子解以及空间光孤子之间的相互作用和有损耗情况下向列相液晶中光束的传输等。
三、结束语
空间光孤子是一种奇特的物理现象,而液晶材料是一种奇妙的中间相材料,具有其他材料所没有的优越性质,利用这些性质可以制成全光控制器件,这使得向列相液晶中的空间光孤子在光子信息处理、集成光学、光互联及光计算等方面具有非常广泛的应用前景。综上所述,向列相液晶中空间光孤子的研究已经引起了国内外许多学者的兴趣,也取得了相应的成绩,但是理论体系还是不够完善,要想使其在实际中得到应用还有相当大的困难。因此,对向列相液晶中空间光孤子的性质和行为继续做更进一步的研究是很有必要,也是很有意义的。
参考文献:
[1]A.W. Snyder, D. J. Mitchell.Accessible solitons[J]. Science,1997.
[2]M.Peccianti, C.Conti, G.Assanto. Interplay between nonlocality and nonlinearity in nematic liquid crystals[J].Opt.Lett,2005,(4).
[3]朱叶青,龙学文,胡巍等.非局域程度对向列相液晶中空间光孤子的影响[J].物理学报,2008,(4).