振荡型非局域非线性系统中的孤子实验研究

In this proposal, we will investigate the optical properties of nonlocal nonlinear systems with oscillatory response function。We are going to find and observe experimentally different new family of oscillatory-type nonlocal solitons, and try to find new possible application of these new solitons. Cascaded quadratic solitons and solitons in negative nematic liquid crystal are the only two physical systems in which the nonlocal response functions are found to be oscillatory. We will investigate theoretically and experimentally the optical properties of both two systems. The stable propagation of oscillatory-type nonlocal solitons in second-harmonic nonlinear crystal and in negative liquid crystal will be observed in experiment. We will also study the new phenomena of beam propagation in these systems, such as abnormal modulation instability etc. The oscillatory-type nonlocal nonlinear systems have much extraordinary nonlinear dynamics and optical properties. Our study will discover the intrinsic physical mechanic for optical system, help us to better understand the essence of optical solitons and nonlinear physics. Therefore, our proposal has its significance in science and its potential in application.

本项目计划研究具有振荡型响应函数的非局域非线性系统的光学特性，通过研究其非线性物理机制，寻找并在实验中研究各种振荡型非局域空间光孤子的传输特性，发掘其潜在应用方法和应用领域。级联二次孤子和负性液晶孤子是目前已知的两种具有振荡型非局域非线性的物理系统。我们将从理论上研究这两种物理系统中的光传输特性，并分别在倍频晶体和负性液晶中实验研究振荡型非局域孤子的稳定传输，以及反常调制不稳定性等光传输新现象。振荡型非局域非线性系统具有非常奇特的非线性动力学性质，本研究将揭示其内在物理机制，帮助人们深入地理解相关的光孤子和非线性物理的本质和规律。因此，本研究计划具有十分重要的科学意义和潜在应用。

具有振荡型响应函数的非局域非线性系统体现出与众不同的非线性特性，导致很多新颖的光传输现象。本项目计划以级联二次非线性过程和负性液晶重定向过程等物理系统为实例，从理论上和实验上研究振荡型非局域非线性系统中的光传输特性及其物理机制，发掘新的光学现象和潜在应用。经过四年研究，我们在负性液晶孤子及其调制不稳定性、振荡型二次孤子、分数光场孤子以及其他非局域孤子的理论和实验方面取得了一些进展，主要成果包括：.1）我们对负性液晶的重定向非线性机制进行了解析分析和数值验证，证明了负性液晶中确实存在振荡型非局域非线性响应；但是在实际实验系统中，由于液晶盒边界对振荡行为的抑制，导致无法在实验上观察到振荡的折射率分布。我们在负性液晶系统中开展了亮孤子传输实验、调制不稳定性实验和电流体不稳定性实验等，并与正性液晶的结果做了对比，证实了我们的理论分析。.2）我们对级联二次参量过程中的孤子传输进行了研究，发现在振荡型非局域模型下，在等效自聚焦条件下不仅存在传统的亮孤子，也可以存在暗孤子；而在等效自散焦条件下不仅有暗孤子，还存在亮孤子。我们还发现边界的约束可以导致振荡型孤子稳定传输，但稳定区域比较小，且对初始光束分布的要求非常苛刻，导致我们实验上没有观察到振荡型二次孤子。.3）分数阶光场是一种新型的由分数阶薛定谔方程描述的光学系统，具有一定的非局域特性。我们研究发现该系统中的分数光场孤子存在孤子塌陷现象，并解析地给出了孤子塌陷条件和塌陷距离。.4）我们还研究了铅玻璃中的热致非局域孤子的传输特性。通过用引力系统类比，我们给出了铅玻璃中两个孤子的相互作用定量规律，并与实验进行了对比；我们分析了铅玻璃中矢量涡旋孤子传输的稳定性，发现低阶涡旋分量可以导致高阶涡旋分量实现稳定，并在实验中观察到了矢量涡旋孤子；我们还给出了一种在非局域条件下传输中保持形状不变的特殊旋转光束。. 这些结果将进一步揭示了振荡型非局域和其他非局域系统中的非线性动力学特性，发掘了空间孤子在光信息传输与处理中的潜在应用。通过这些工作，四年期间课题组共发表SCI收录论文11篇，其中中科院分区一区论文2篇，二区论文8篇，平均影响因子达到3.066。期间有1名研究生获得博士学位，12名研究生获得硕士学位。