準穩態

禁止孤子和光伏孤子都是穩態的，準穩態孤子則是一種時變孤子。已報導的準穩態孤子也需要一個外加直流電場。準穩態孤子只存在於光折變光柵形成之後而外加電場被顯著禁止之前的時間間隔里。準穩態亮孤子所經歷的折射率改變是正的，這剛好與禁止亮孤子所看到的折射率相反。準穩態空間孤子起源於信號光束中各平面波分量的相互耦合。

基本介紹

• 中文名：準穩態
• 外文名：Quasi-steady state
• 用途：描述物體的狀態
• 學科：原子物理學

概念

三十多年以前，人們就開始對光學空間孤子進行研究。近十年來，由於光學空間孤子在全光開關方面有重要的套用前景。光學空間孤子又重新成為研究的熱點。克爾型光學空間孤子的形成需要mW/cm²量級的光強，而且存在著不穩定性。光折變空間孤子的形成只需mW/cm或更低的光強，且其形成過程包含著許多物理效應，所以它
引起人們的研究興趣。現有三種基本類型的光折變空間孤子被報導，即光伏空間孤子、禁止孤子、 準穩態孤子。這些孤子有些用相干光形成，有些用非相干光或部分非相干光形成，而有些則用非相干白光形成。禁止孤子的形成需要一個外加直流電場，光伏空間孤子的形成不需要外加電場，但要求所用的介質具有足夠強的光伏效應 。

一般情況下，準穩態孤子的形成需要一外加電場，它存在於晶體的折射率光柵形成之後、而外加電場未被顯著禁止之前的那段時間間隔之內， 因此它在時間上表現為瞬態的。在進行全光準穩態空間孤子的實驗中，在相同光強條件下，利用不同波長的光作為信號光束， 準穩態孤子存在的時間不相同。一般來說，波長較長的光束形成準穩態孤子的時間區間較長。特殊的，當波長大至一定程度時，將形成穩態的空間孤子，這完全不同於以往所觀察到的準穩態孤子。

全光雙準穩態空間孤子

眾所周知，除了LiNbO₃晶體外，BaTiO₃和KNSBN晶體均有較強的光伏效應，而KNSBN晶體的光伏效應受摻雜的影響極大。實際上，我們已用Cu：KNSBN晶體獲得了亮光伏孤子。在開路情況下，若用一束光入射到晶體，則瞬態總電流 （忽略擴散效應，這裡 為電導率， ， 和 分別為晶體對入射誘導光的有效Glass係數、吸收截面、施主密度和離化施主密度）將對晶體的兩個c面充電，使其帶上符號相反的電荷。這些電荷將在晶體中產生一個巨觀的直流電場E_0。這個電場對光折變效應有顯著的影響。我們已利用這一效應，在Ge：BsTiO₃晶體中實現一束雷射對另一束雷射自抽運相位共軛的控制。如前所述，準穩態空間孤子的形成需要一外加直流電場，那么，就有可能利用這裡所說的光誘導巨觀直流電場E₀來代替外加的直流電場，從而獲得準穩態空間孤子。

首次在實驗中觀察到一種雙準穩態光折變空間孤子，這種孤子是（1+1）維的。它的形成不需要外加電場，但需要一束與信號光不相交疊的誘導光束。誘導光束通過光伏效應及熱釋電效應產生一個形成準穩態孤子所需的巨觀電場。熱釋電效應和光伏效應在兩個準穩態形成過程中分別起作用。這種孤子的形成過程具有全光開關效應。

全光準穩態空間孤子對波長的依賴性

研究進展

自從1992年Segev等人提出利用光折變效應補償光束在介質傳播過程中的衍射效應，從而形成光折變空間孤子的理論以來，已有大量的理論和實驗工作被報導。由於形成光折變空間孤子所需的光強很低（mW或μW量級），而且光折變空間孤子在光傳輸、光開關等方面有著潛在的套用前景，近十年來逐漸成為研究的熱點。已報導的光折變空間孤子，從形成機理來看主要有三種不同的類型：準穩態孤子、禁止孤子和光伏孤子這些孤子可以用相干光形成、也可用非相干光或部分非相干光形成，而有的也可用非相干白光形成。隨著理論和實驗研究的深入，最近有報導提出在光伏光折變晶體上外加電場的方法可以形成禁止-光伏孤子。

人們發現，若用一束光入射到有較強光伏效應的晶體中，例如BaTiO₃和KNSBN等晶體， 能夠在晶體中產生一個可觀察的巨觀直流電場，在穩態時，此電場可高達10³-10⁵V，所以可以利用此光誘導巨觀直流電場來代替形成準穩態孤子時所需的外加電場，從而獲得全光準穩態孤子。She等人已在實驗中觀察到全光準穩態空間孤子。

光折變材料是一種重要的非線性光學材料，在入射光照下能激發出自由載流子（電子、空穴），使用較多的是LiNbO₃，BaTiO₃，SNB，KNSBN等。其中，在對摻Cu的KNSBN晶體的研究中發現，它具有較強的光伏效應，其折射率改變為正，已利用它實現了光伏孤子。同時，Cu：KNSBN晶體含有不同深度的能級中心，其光激發載流子密度隨溫度的不同而不同。載流子的密度又直接影響到晶體內空間電荷場的大小。1996年，Fressengeas等人利用晶體內空間電荷場的分布情況分析了準穩態孤子的形成，指出準穩態孤子存在的時間區間與晶體的性質和入射光束的光強有關，光強越強孤子存在的時間區間越短。

在給定光折變晶體時，準穩態孤子存在的時間區間不僅與光束的光強有關，而且與光束的波長有關，入射信號光的波長越長，準穩態孤子存在的時間區間越長。例如當我們用波長較長的He-Ne光作為信號光，進行全光準穩態孤子的實驗時，在很長的時間內（達10min），光束一直保持孤子狀態，並未發生擴散。從一定意義上說，在一定時間範圍內，這個孤子可以被看作是穩態的。此現象不同於以往所觀察到的準穩態空間孤子，從形成孤子的實驗條件來看，它又明顯不同於禁止孤子和光伏孤子。

物理思想

由於準穩態孤子是形成於折射率光柵形成之後、而外加電場未被顯著禁止之前的那段時間間隔之內，因此我們可以通過改變折射率光柵的形成時間或改變外加電場被禁止的時間來延長或縮短準穩態孤子的存在時間。一般而言，折射率光柵的形成時間只與介質的介電馳豫時間 有關，所以當晶體給定後，折射率光柵的形成時間也基本保持不變。我們考慮外加電場被禁止的時間，當光束經過光折變晶體時，激發出自由載流子。如果晶體存在著外加電場，光激發的載流子在外加電場的作用下遷移，在晶體內產生電荷分離，形成內建的空間電荷場。此內建空間電荷場的方向與外加電場的方向相反。隨著載流子數的增多，內建的電荷場不斷增大，一定時間後與外加電場達到平衡，即對外加電場產生禁止。此過程類似於電容充電的過程，由於內建電荷場是載流子的遷移所形成，所以光激發的載流子數量將關係到內建電荷場形成的快慢及強弱，進而對禁止效應的過程產生影響。對於一般的光折變晶體，所摻雜的雜質對晶體的性質有很大的影響，例如對摻Cu的KNSBN晶體，含有不同深淺程度的能級中心，可以通過改變溫度，或者通過改變激發光子的能量來改變載流子的濃度。而激發光子的能量是與光波長成反比，因此根據激發光波長不同，可以產生不同數量的自由載流子，從而形成不同時間間隔的準穩態孤子。特殊地，當激發光波長大到一定程度時，所激發的載流子密度較小，不足以完全螢幕蔽外加電揚，將有可能得到穩定的“準穩態”孤子。