超常材料中光学孤子的传播和操控研究

超常材料具有独特而丰富的线性和非线性电磁特性，蕴含着大量的孤子现象和物理；同时，超常材料的电磁特性可以人为设计，为主动操控孤子提供了条件和手段。本项目首先将研究超常材料中光学孤子的传播特性及其相互作用，揭示超常材料特有的如负折射、磁响应等特性对孤子传播和相互作用的影响及其所导致的新的孤子现象，重点探索高维空间孤子和时空孤子形成和稳定传播的机理。其次，研究超常材料的线性（特别是色散）和非线性特性的调控机理，形成主动控制超常材料色散特性的原理方案和技术路线；在此基础上，针对各种特定的孤子现象所需要的物理条件，主动设计超常材料的线性和非线性特性，实现对孤子的主动操控；尤其是，设计出在超常材料中形成稳定的四维时空孤子的物理环境。研究结果将不仅丰富和发展孤子物理，而且为发展基于超常材料的相关光子器件和光控光技术奠定理论基础。

本项目的成果主要体现在两方面。一是针对超常材料特有的磁响应及其导致的各种线性和非线性光学效应，揭示了与之关联的光学孤子的传播及其相互作用特性，包括：(1) 揭示了超常材料中时空孤子的新特性，发现超常材料中一种新的时空光束现象——空间环形光束，理论上解释了时空孤子和环形光束的形成机理及其与超常材料特有的电磁响应特性之间的关系；(2) 阐明了超常材料中的非线性饱和、二阶非线性色散等效应对超短脉冲传输的影响规律，并揭示了这些效应导致的若干新的孤子调制不稳定性现象；(3) 揭示了含负折射率超常材料的反向定向耦合器中交叉相位调制效应所致的调制不稳定性规律，为操控耦合器中的调制不稳定性和孤子提供了更多的方法和手段。二是针对超常材料电磁和光学特性的可人为设计性，探索了超常材料中孤子的形成、稳定传播和相互作用的主动控制原理和方法，包括：(1) 提出并实验证明利用亚波长金属短杆阵列增强常规微波吸收材料吸收性能的思想, 发现超常材料的线性损耗和磁响应可导致类似于双光子吸收的非线性饱和吸收效应，基于材料的色散与吸收特性的关联性，从另一个角度证明并揭示了超常材料色散和非线性的可调性及其机理；(2) 提出一种扩展光子晶体零均折射率带隙的新方法，得到了零宽度零均折射率光子带隙的产生条件，为发展宽带全向带隙和滤波器提供了新途径；(3) 建立了超常材料中有Raman延迟响应和损耗的超短电磁脉冲传输的物理模型，理论证明超常材料可控的线性和非线性电磁性质可从多条途径调控孤子的自频移和色散波的产生。.研究结果在国内外主要刊物上发表SCI论文15篇，在国际会议作邀请报告1人次，申请国家发明专利4项，培养博士研究生4名、硕士研究生6名。