向列相液晶的非局域光学克尔非线性过程

The optical Kerr effect in nematic liquid crystals due to the molecular reorientation exhibits the nonlinear nonlocality both temporally and spatially. In this proposal, we will explore the possibility of the realization of the stable light bullets (spatiotemporal optical solitons) and the slow light and the fast light of optical pulses in nematic liquid crystals by use of their nonlinear nonlocality. The contents include four parts. They are, respectively, (1) to establish the theoretical model for the nonlinear propagation of the optical pulsed beams in the nematic liquid crystals with both temporal and spatial nonlocality, (2) to discuss the stability of the light bullets in the effects of the couple between the temporally and spatially nonlocal nonlinearity based on the model, (3) to discuss the slow light and the fast light of optical pulses in nematic liquid crystals based on the model, and (4) to prepare the liquid sample cell with a flat output face for the further experiments. ..Both of the realization of the stable light bullets and the control of the group velocity of the optical pulses have constituted frontiers in physics, and are of their great potential in application. The technique of the light bullets could lead to improvements in microscopes and systems for carving microscale devices, and the light bullets could be used to recisely focus a microscope on a small region in the center of a thick sample or to give lasers greater control in micromachining. The precise control of the group velocity of the optical pulses will play an important role in the realization of all-optical communication systems, quantum communication systems and quantum computing systems. Our proposal, therefore, has its significance in science and its potential in application.

向列相液晶中来源于液晶分子重取向机理的光学克尔效应，在空间上和时间上均表现出非局域性。本研究计划将讨论利用向列相液晶的非局域非线性来实现光弹（时空光孤子）稳定传输和光脉冲群速度控制的可能性。研究内容包括：①建立脉冲光束与液晶分子非线性相互作用的模型，②用该模型来讨论在液晶非线性的时间非局域和空间非局域的共同（耦合）作用下，激光脉冲光束的传输行为、以及能否形成光弹并稳定传输，③用该模型来讨论光脉冲的慢光速和快光速问题，④研制具有光洁输出面的液晶样品盒，为下一步的实验工作做准备。.光弹的稳定传输和光脉冲的群速度控制问题，均是物理学领域中的前沿命题，具有重大潜在应用前景。光弹技术可望导致显微镜系统和微雕刻系统的技术革命，也可望应用于微机械控制系统。实现群速度的精确控制，对全光通信系统、量子通信系统、量子计算系统的实现将具有推动作用。因此，本研究计划具有科学的意义和潜在的应用。

近十年左右，两篇Physical Review Letters的文章分别提出了关于时间非局域Kerr非线性系统的两个理论预言：该系统存在稳定传输的光孤子[PRL, 105, 263902 (2010)]，激光脉冲在该系统中的传播速度（群速度）将表现出与非线性折射率系数的虚部相关联的超光速或者慢光速[PRL, 95, 063902 (2005)]。向列相液晶中来源于液晶分子重取向机理的光学Kerr效应，在空间上和时间上均表现出非局域性。本研究计划的目标是讨论利用向列相液晶的非局域非线性来实现光弹（时空光孤子）稳定传输和光脉冲群速度控制的可能性。..完成的研究内容包括：建立了向列相液晶中光电场脉冲光束与液晶分子（非线性）相互作用的模型，发现了：①向列相液晶中在光学Kerr效应的时间非局域和空间非局域的共同（耦合）作用下不可能形成时空光孤子（光弹）的稳定传输状态，②具有时间非局域Kerr非线性的系统（包括向列相液晶）中传输的光脉冲不可能发生速度（群速度）超光速或者慢光速传输。其他研究还内容包括：空间色散介质中的光束传输特性研究、旋转的椭圆光孤子和光呼吸子传输特性研究、非线性界面上的格子孤子的传输特性和非局域空间孤子的交叉大相移等研究。项目执行期间发表期刊论文16篇，其中SCI收录的论文15篇，发表专著章节(the invited multi-author book chapter) 1章，获得2014年度广东省科学技术奖二等奖1项，培养博士后1名，博士2名，硕士8名。项目主持人郭旗教授作为两个会议共主席之一主办 了“全国光孤子学术研讨会”3次（届）。..光弹的稳定传输和光脉冲的群速度控制问题，均是物理学领域中的前沿命题，具有重大潜在应用前景。光弹技术可望导致显微镜系统和微雕刻系统的技术革命，也可望应用于微机械控制系统。实现群速度的精确控制，对全光通信系统、量子通信系统、量子计算系统的实现将具有推动作用。因此，本研究计划具有科学的意义和潜在的应用。.