?综合评述?
非局域空间光孤子的理论研究进展(1)—弱非局域篇
任占梅
(华南师范大学物理与电信工程学院,广州510631)
提要:本系列论文对非局域空间光孤子的理论研究进展进行了综述。弱非局域篇讨论在弱非局域程度条件下空间光孤子的传输特性。
关键词:非局域非线性薛定谔方程;空间光孤子;弱非局域中图分类号:TN 248.1 文献标识码:A 文章编号:0253-2743(2005)03-0001-03
Progress of theoretical research on nonlocal spatial optical solitons(1)-w eak nonlocality
RE N Zhai -mei
(School of Physics and T elecom Engineering ,S outh China N ormal University ,G uangzhou 510631)
Abstract :In this series papers we review the progress of the theoretical research on nonlocal spatial optical s olitons ,and the first one em phases on the proper 2ties of the nonlocal spatial optical s olitons under the weak nonlocality.
K ey w ords :nonlocal nonlinear Schrodinger equations ;spatial optical s olitons ;weak nonlocality
收稿日期:2004-04-051 引言
空间光束(beam )在介质中传输时,会由于衍射效应而发散;另一方面,光场自感应非线性折射率会对光束产生聚焦作用。空间光孤子(optical spatial s olitons )〔1〕
是由于衍射效应与非线性效应达到平衡时,光束在没有边界的介质环境中形成的一种自陷(self -trapping )或自导(self -guiding )的稳定传输状态。空间光孤子具有平面波波前,因而会保持其横剖面大小不变地稳定传输。“空间光孤子”又简称为“空间孤子”。在不与“时间(脉冲)光孤子”一词混淆的前提下,有时也将”空间光孤子”简称为”光孤子”或直接称”孤子”。本文中,如无特别说明,“孤子”,“光孤子”或“空间孤子”均指“空间光孤子”。空间光孤子的研究不仅可以使我们扩展对基本物理现象的理解,而且更重要的是空间光孤子本身在光子(全光)信息处理(全光空间调制和图象处理,全光开关,全光互连,以及全光逻辑光路等)方面有广泛的应用。光子信息处理技术是实现高速率、大容量全光网络和光计算机中必不可少的关键单元技术。随着数字化、信息化社会的来临,高速率、大容
量信息网络体系的发展将是国家信息基础设施的核心内容,
如此宽带网络中的信息载体非光莫属,就是说,未来的信息
网络必定是全光网络。全光网络不仅是国家信息基础设施的核心,也是全球信息一体化的基础。光计算是大规模并行
计算的首选方案,是新一代计算机的发展方向。由于全光网
络和光计算机的关键是全光控制技术,而空间光孤子是各种实现全光控制技术的基础原理之一,因此,对空间光孤子特
性的全面研究和彻底掌握,显然具有非常重要的学术价值、实用价值和战略意义。
空间光孤子的种类繁多,内容极为丰富〔1〕
。根据材料对光场效应的不同非线性机理,可将空间光孤子分为克尔(K err )或克尔类(K err -like )孤子,二次孤子(quadratic s oli 2tons ),光折变孤子(photorefractive s olitons )等等。除了根据不
同材料对空间光孤子进行分类,还可以其表现方式进行分
类,这样的分类方法不直接与具体的材料发生联系.根据后
一分类法,可将空间光孤子分为相干孤子(coherent s olitons ),
不相干孤子(in -coherent s olitons ),离散孤子(discrete s olitons ),多分量矢量孤子(multi -component vector s olitons ),腔孤子
(cavity s olitons ),非局域孤子(nonlocal s olitons ),时空孤了(spa 2tio -temporal s olitons )等类别。
近年来,非局域空间光孤子一空间非局域非线性介质中
的空间光孤子〔2,3〕———引起了人们的广泛关注.理论
〔2,4-14〕和实验〔15-21〕上均取得了相当进展。空间非局域非线性介质
中光束的传输行为由非局域非线性薛定谔方程(nonlocal non 2
linear Schrodinger equation ,NN LSE )(非线性项是空间响应函数
和光强的卷积)唯象地描述〔2,6,9〕。所谓空间非局域非线性
介质,是指介质对光场的非线性响应,不仅与该点的光场有
关而且与空间中其他点的光场有关,材料的空间非局域性起
源于物质内对光场响应的单元(电子、分子或激子等,材料中
对光场响应的不同单元对应于不同的非线性机理〔
23〕)的空间相关性。如果材料的这种相关性为零,则这种材料是局域
性材料。局域非线性介质中传输的空间光孤子是局域孤子。1997年以前讨论的空间孤子,都是局域孤子(克尔介质中存
在的空间孤子,即克尔孤子,由非线性薛定谔方程描述)或者弱局域孤子(比如,光折变孤子)。
1997年国际著名导波光学专家A.W.Snyder (经典著作《Optical Waveguide Theory 》一书作者)和其同事D.J.Mitchell 发
表在Science 的文章〔2〕
正式揭开了非局域空间光孤子研究的序幕。Snyder 和Mitchell 在强非局域条件下,将非局域非线性薛定谔方程近似为线性模型,发现存在空间孤子解。Snyder
和Mitchell 称此空间孤子为“线性孤子”(accessible s olitons )〔1〕。
将非线性问题转化为线性问题处理,是一创举。对此,著名非线性光学专家沈元壤博士给予了高度评价。在同期Sci 2
ence 上发表的评论文章〔3〕中,他将Snyder 和Mitchell 提出的
模型称为Snyder -Mitchell 模型,并认为该模型是“无价的(in 2valuable )”。在该评论文章的最后,沈元壤博士写道:“Snyder
和Mitchell 的工作会引起新一轮的光孤子研究热潮”〔2〕。
虽然严格而言,光折变孤子也应该划分到非局域孤子的范畴,但由于已经由两篇综述性文章〔1,22〕
详细讨论了光折变
孤子,本文将不包括此内容.本文的内容仅限于Snyder -Mitchell 模型提出后的工作,并且重点讨论唯象理论的研究
进展。对于具体不同的材料而言,光与物质相互作用所引发
的光场自感应非线性折射率机理是不相同的〔23〕
,因而需要讨论不同的具体模型。2 光束在非线性非局域介质中传输的一般描述及其分类 非局域立方非线性介质中传输的傍轴光束满足非局域非线性薛定谔方程(NN LSE )〔
2,6,9〕
i 9ψ9z +μΔ┴ψ+ρψ∫
+∞
-∞R (x -x ′)|ψ(x ′,z )|2d D x ′=0(1)其中ψ(x ,z )是旁轴光束,μ=1/2k ,ρ=k η,η是介质常数(η>0,η<0分别表示聚焦或散焦介质),k 是不考虑非线性效应时介质中的波数(即k =ωn 0/c ,n 0是介质的线性折射率),z 为径向坐标(光束的传输轴),x 和x ′,代表D 维(D =1或2)横向空间坐标矢量,d D
x ′,是x ′,点的D 维积分体积元,Δ┴是D 维的横向拉普拉斯算符。上式中,R 是介质的非线性对称实响应函数,满足归一化条件。非局域程度是一个相对的概念.根据光束函数ψ的宽度(光束束宽)与介质非线性响应函数R 的宽度(材料的非线性相关长度)的相对大小,可将非局域程度分为四类〔9,10〕:局域(local )类,弱非局域(weakly nonlocal )类,一般性非局域(gener 2al nonlocal )类,强非局域(strongly nonlocal )类。对于响应函数是δ函数的极限情况(R (x )=δ(x )),非局域程度是局域的〔如图1(a )所示〕;弱非局域程度对应于材料的非线性相关长度远远小于光束束宽的情形〔如图1(b )所示〕;与之相反,强非局域程度要求在介质里传输的光束之束宽远远小于介质的非线性相关长度〔如图1(d )所示〕。除(a ),(b )和(d )以外的其他情形是一般性非局域程度。
一般情况下,方程(1)是一个微分-积分方程,难以找到
1
《激光杂志》2005年第26卷第3期 LASER JOURNA L (V ol.26.N o.3.2005)
其精确解析解.但在局域、弱非局域和强非局域条件下,人们已经找到了方程(1)的近似模型,并分别得到了这些模型的精确解析解。
局域情况下,R(x)=δ(x),非局域非线性薛定谔方程退化为大家熟知的非线性薛定谔方程(N LSE)〔1,22〕:图1 非局域程度分类的图示。1(a)局域类;1(b)弱非局域类;
1(c)一般性非局域类;1(d)强非局域类。I(x′)代表光强度|ψ(x′,z)|2
i 9ψ
9z+
μΔ┴ψ+ρ|ψ|2ψ=0(2)
方程(2)的解及其性质已经被广泛讨论了〔1,22〕,这里只扼要叙述,不再详细展开。对于D=2的情况(对应光束在体
介质(三维介质)中的传输),方程(2)的自陷解是不稳定的,
存在一个临界功率,当光束的输入功率大于临界功率时,光
束的传输会出现著名的自聚焦(self-focusing)现象。然而,
在由平面介质波导构成的两维空间中(由于有一维空间被平
面波导所约束,使三维空间变成为两维空间),方程(2)成为i9ψ/9z+μ92ψ/9x2+ρ|ψ|2ψ=0,其具有双曲正割(sech)波形的稳定自陷解体,这种稳定传输状态就是著名的克尔孤子〔24〕。
下面,我们将详细讨论弱非局域模型的建立过程,模型
的解及其可能应用。强非局域模型将专门撰文介绍。
3 弱非局域程度下的光束传输
在弱非局域条件下,材料非线性响应函数R(x)的宽度
与光束束宽相比小得多,这样我们可以展开方程(1)积分式中的|ψ(x′,z)|2—而不是像强非局域情况下展开R(x′-x)。对(1+1)维(D=1)的情况,将|ψ(x′,z)|2,在x′=x 点进行Tailor展开,由方程(1)可得到弱非局域情况下描述光束传输的模型〔8〕
i 9ψ
9z+
μ9
2ψ
9x2+
ρψ(|ψ|2+γω9
2|ψ|2
9x2
)=0(3)
其中弱非局域参量γω(>0)由下式给出
γω=1
2∫R(x)x2dx(4) 我们寻找在自聚焦介质(ρ>0)中方程(3)的亮孤子(中心点为最大值)解
ψ(x,z)=u(x)exp(iΓz)(4) 其中u是对称的、指数衰减的实数函数,Γ(>0)为传播常数。将解式(5)代入方程(3)得到以下关于u的隐函数解〔8〕
x=
1
kη1/2u0
tanh-1〔
σ(x)
u0
〕+2γωtan-1〔2kγωησ(x)〕(6)其中σ2=(u20-u2)/(1+4k2γωηu2),u0是解u的最大值
(振幅)。隐函数给出了在弱非局域条件下非局域介质中传输的亮孤子解。在γω?0的极限情况下,弱局域转变为局域,此时可由式(6)得到u(x)=u0sech(ku0η1/2x),这正是克尔孤子解〔24〕。图2显示的是对不同的非局域参量γω由隐函数(6)给出的孤子强度分布。明显可见,光束束宽随着非局域程度的增加而增加。
方程(3)对于自散焦介质(ρ<0)的暗孤子(中心为最小值)解也已经发现,并且已经证明了无论对于亮孤子还是暗孤子解都是稳定的〔8〕。
4 其他研究进展
对于一般性非局域程度(不包括强非局域)的情况,除了一些特殊的非局域响应函数外,还没有得到任意非局域响应函数的非局域非线性薛定谔方程的解析解,仅通过数值模拟讨论了在不同非局域程度条件下,非局域非线性薛定谔方程空间光孤子解的传输特性.结果表明,不论非局域程度如何,光束都能以光孤子态在介质中稳定传输。光孤子的波形是从强非局域时的高斯型过渡到局域时的双曲正割型,形成孤子的临界功率随非局域程度的减弱而减小,光孤子相位随距离线性增大,相位的变化率随非局域程度的减弱而减小。任意非局域程度下非局域非线性薛定谔方程的稳定性问题也已经严格证明。Bang等人〔10〕已经证明,具有任意非局域响应函数的非局域非线性薛定谔方程都是稳定的,惟一的条件是非局域非线性响应函数要具有有限带宽的正傅里叶频谱,具有物理意义的非线性响应函数都具有这样的特性。
图2 弱非局域条件下,不同非局域
参量γω的亮空间孤子强度分布
除了上述已经介绍的理论成果外,在非局域非线性薛定谔方程框架下的其他理论研究进展还包括:用变分法研究了具有任意次幂函数形式的非局域响应函数的孤子传输问题〔5〕,具有G auss函数核的对数非局域响应函数的孤子解〔6〕,束宽接近光波长的非局域空间孤子特性〔7〕非局域非线性薛定谔方程的空间受激调制不稳定性特性〔9〕,非局域孤子相互作用的相位调制特性〔13〕和初始“空间啁啾”对非局域空间孤子传输的影响〔14〕等等.由于篇幅所限,不再一一详细介绍。5 结论
本文对Snyder—Mitchell模型提出(1997年)后非局域非线性介质中传输的空间光孤子的理论研究进展作了综述评论,主要是讨论唯象理论的研究进展.根据光束束宽与介质材料的非线性相关长度的相对大小,可将非局域程度分为局域、弱非局域、一般性非局域和强非局域等四类。一般情况下,描述非局域非线性介质中光束演化规律的方程是一个微分-积分方程,称为非局域非线性薛定谔方程,难以找到其精确解析解。但在局域、弱非局域和强非局域(另文详述强非局域)条件下,人们已经找到了非局域非线性薛定谔方程的近似模型,并分别得到了这些模型的精确解析解。对于一般的情况,也已经数值地讨论了存在的孤子解之特性。
空间光孤子是各种实现全光控制技术的基础原理之一,对空间光孤子特性的全面研究和彻底掌握,具有非常重要的学术价值、实用价值和战略意义。
参考文献
〔1〕 G.I.S tegeman,D.N.Christodoulides,and M.Segev.Optical S patial S olitons:H istorical Perspectives〔J〕.IEEE J.Sel.T op.Quantum E lec2 tron.,2000,6(8):1419-1427.
〔2〕 A.W.Snyder and D.J.M itchell.Accessible s olitons〔J〕.Science,1997, 276(6):1538-1541.
〔3〕 Y.R.Shen,S olitons made sim ple〔J〕.Science,1997,276(6):1520-1520.
〔4〕 A.W.Snyder and Y.K ivshar.Bright spatial s olitons in non-K err me2 dia:stationary beams and dynamical ev olution〔J〕.J.Opt.S oc.Am.B,
2 《激光杂志》2005年第26卷第3期 LASER JOURNA L(V ol.26.N o.3.2005)
1997,11(11):3025-3031.
〔5〕 S.Abe and A.Ogura,S olitary waves and their critical behavior in a nonlinear nonlocal medium with power-law response〔J〕.Phys.Rev.
E,1998,57(10):6066-6070.
〔6〕 D.J.M itchell and A.W.Snyder.S oliton dynamics in a nonlocal medium 〔J〕.J.Opt.S oc,Am.B,1999,16(2):236-239.
〔7〕 E.G ranot.S.S ternklar,Y.Isbi,B.M alomed,and A.Lewis.Sub-wave2 length non-local spatial s olitons〔J〕.Opt.C ommun,1999,166(1):121
-126.
〔8〕 W.K rolikowski and O.Bang.S olitons in nonlocal nonlinear media:exact s olutions〔J〕.Phys.Rev.,E,2001,63,(1):016610.
〔9〕 W.K rolikowski,O.Bang,J.J.Rasmussen,and J.W yller.M odulational instability in nonlocal nonlinear K err media〔J〕.Phys.Rev.E,2001,64
(1):016612.
〔10〕 O.Bang,W.K rolikowski,J.W yller,and J.J.Rasmussen.C ollapse ar2 rest and s oliton stabilization in nonlocal nonlinear media〔J〕.Phys.Rev
.E,2002,66(4):046619.
〔11〕 C.C onti,M.Peccianti,and G.Assanto.R oute to N onlocality and Ob2 servation of Accessible S olitons〔J〕.Phys.Rev.Lett.,2003,91,(7):
073901.
〔12〕 Q.G uo,B.Luo,F.Y i,S.Chi,and Y.X https://www.doczj.com/doc/654209631.html,rge phase shift of nonlo2 cal optical spatial s olitons〔J〕.Phys.Rev.E,2004,69(1):016602..〔13〕 谢逸群,郭旗.非局域克尔介质中空间光孤子的相互作用〔J〕.
物理学报,2004,53,(9):3020.
〔14〕 郭旗,许超彬.偏离束腰入射对非局域非线性介质中高斯光束演化的影响〔J〕.物理学报,2004,53(9):3025.
〔15〕 M.W arenghem,J.F.Henninot,and G.Abbate.N onlinearly induced self-waveguiding structure in dye doped nematic liquid crystals con2
fined in capillaries〔J〕.Opt.Express,1998,2(4):483-490.
〔16〕 F.Derrien,J.F.Henninot,M.W arenghem,and G.Abbate.A thermal (2D+1)spatial optical s oliton in a dye doped liquid crystal〔J〕.J.
Opt.A,Pure Appl.Opt.,2000,2(3):332-337.
〔17〕 M.Peccianti,A.de R ossi,G.Assanto,A.de Luca,C.Umeton,and I.
C.K hoo.E lectrically assisted self-con finement and waveguiding in
planar nematic liquid crystal cells〔J〕.Appl.Phys.Lett.,2000,77
(1):7-9.
〔18〕 M.Peccianti and G.Assanto.Nematic liquid crystals:A suitable medium for self-con finement of coherent and incoherent light〔J〕.
Phys.Rev.E,2002,65(3):035603.
〔19〕 M.Peccianti,K.A.Brzdakiewicz,and G.Assanto.N onlocal spatial s oliton interactions in nematic liquid crystals〔J〕.Opt.Lett.,2002,27
(9):1460-1462.
〔20〕 M.Peccianti,C.C onti,and G.Assanto.All-optical switching and logic gating with spatial s olitons in liquid crystals〔J〕.Appl.Phys.
Lett.,2002,81,(13):3335-3337.
〔21〕 C.C onti,M.Peccianti,and G.Assanto.Observation of Optical S patial S olitons in a H ighly N onlocal M edium〔J〕.Phys.Rev.Lett.,2004,92
(11):113902.
〔22〕 G.I.S tegeman and M.Segev.Optical spatial s olitons and their interac2 tions:university and diversity〔J〕.Science,1999,286(10):1518-
1523.
〔23〕 Y.R.Shen.The principles of nonlinear optics(John W iley&S ons, Inc.,New Y ork),1984,Chapter16.
〔24〕 J.S.Aitchis on,A.M.W einer,Y.S ilberberg,M.K.Oliver,J.L.Jack2 el,D.E.Leaird,E.M.V ogel,and P.W.Smith.Observation of spatial
optical s olitons in a nonlinear glass waveguide〔J〕.Opt.Lett.,1990,15
(6):471-473.
?激光医学与医学?
电子纤维鼻咽喉镜下间接喉钳异物取出的体会
刘庆顺,杨 桦
(第三军医大学新桥医院耳鼻咽喉科,重庆 400037)
1 临床资料和方法
①一般资料:本组40例异物病例均为本院门急诊病人,且经过间接喉镜和电子纤维鼻咽喉镜下异物取出术未成功者。男性28例,女性12例,年龄最大者69岁;最小者13岁。异物种类:鱼刺24例,鱼腮骨5例,鸡骨4例,鸭骨2例,竹签2例,青蛙骨3例。异物存留部位:舌根部8例,下咽侧壁6例,会厌溪7例,梨状窝19例。异物发生到就诊时间1h-7d。本组病例均有明确的异物嵌入史,就诊前多数病人均采用吞咽食物、菜叶以及含饮食醋等方法,试图将异物软化或吞入胃内。就诊时有吞咽困难者18例,检查发现有感染者12例。多数病人能指出异物所在的大概部位。
②仪器设备:采用日本PANT AX(潘太克斯)生产的VN L-1530型电子纤维鼻咽喉镜,S ONY监视议,另配电脑图文检查记录系统。各种型号的间接喉钳(异物钳)备用。
③治疗方法:采用1%地卡因溶液行咽喉部粘膜表面麻醉2-3次,鼻腔内喷雾1%地卡因溶液及3%麻黄素溶液1-2次。
麻醉成功后,术者持电子纤维鼻咽喉镜镜体自较宽侧鼻腔缓慢导入达口咽部,根据病人所指异物所在部位,仔细检查。当窥清异物所在位置时,可将纤维喉镜镜头稍退至在既能窥清异物又利于异物取出的位置〔1〕。根据异物所在部位及嵌入的方向选择适宜的间接喉钳(异物钳)。嘱病人拉舌,术者左手持电子纤维鼻咽喉镜镜体,右手持间接喉钳(异物钳)自口腔顺咽后壁中线插入至异物所在部位,直视下操作,将异物取出。
2 结果与讨论
本组40例咽喉部异物均在电子纤维鼻咽喉镜直视下间接喉钳经口腔成功取出。异物长度在2-4cm之间。就诊时间早且无感染者异物取出后未给予任何处理,就诊时间晚、自觉咽喉疼痛明显、异物存留处有感染者,异物取出后给予抗生素治疗3-5天。
口咽及喉咽部是食道、呼吸道的共用门户,既是呼吸通道又是食物必经之路。进食不慎时异物易嵌入口咽及喉咽部。对口和喉咽采用一些常规方法取出有困难的异物,作者采用电子纤维鼻咽喉镜窥视,以间接喉钳取出,此两者组合成功取出40例异物,具有较多的优点。本组病例异物均嵌入在舌根部、会厌溪及梨状窝内。因其结构复杂、暴露差,异物取出时难度大。尤其是异物较大且嵌入深在,加
之病人年老体弱、舌背高、颈粗短、咽反射特别敏感以及伴有感染者,应用间接喉镜和电子纤维鼻咽喉镜下取异物就更加困难。我们采用
了电子纤维鼻咽喉镜具有镜体细小而柔软,可以根据需要随意弯曲或改变方向,视野广且清楚,近距离具有放大作用〔2〕,容易发现异物和间接喉钳钳口大且钳夹异物牢固的优点;明显提高了异物取出的
成功率。弥补了间接喉镜下照明差、术野窄且不清楚,不容易发现异物和电子纤维鼻咽喉镜匹配之活检钳钳头过小,对较大异物钳夹不紧、打滑、容易脱落造成其他部位的异物;同时因电子纤维鼻咽喉镜取异物是经鼻腔取出,较大异物取出时易损伤鼻腔粘膜且异物易脱落于鼻腔导致鼻腔异物等缺点。电子纤维鼻咽喉镜摄像头位于镜管前端可直接拍摄口喉咽部情况。应用电子纤维鼻咽喉镜配备的电脑图文系统,可将异物嵌入所在部位、大小、形状、深度以及异物取出之过程和异物取出后局部粘膜情况之图像一并存入电脑保存。选择异物取出前、取出后的图片打印成报告,以便资料的保存与积累:同时供患者观看以及随访参照。本组40例异物病人采用了电子纤维鼻咽喉镜下行间接喉钳异物取出术,均能一次成功取出异物,术后无一例并发症。采用电子纤维鼻咽喉镜下行间接喉钳异物取出术,操作简单,易于掌握,不需助手,无损伤,安全可靠。对较大异物在表面麻醉下便可完成异物取出术,不需住院,避免了全麻下行直接喉镜取异物的痛苦与恐惧,费用少,痛苦小,病人乐于接受,值得临床推广应用。
参考文献
〔1〕 王建群,高下,王建.电子喉镜在喉部疾病诊治中的应用〔J〕.听
力学及言语疾病杂志,2004,12(1):44-45.
〔2〕 刘庆顺.纤维喉镜下喉咽部取出微小异物40例〔J〕.第三军医大学学报,1996;18(6)538.
3
《激光杂志》2005年第26卷第3期 LASER JOURNA L(V ol.26.N o.3.2005)
?综合评述? 非局域空间光孤子的理论研究进展(1)—弱非局域篇 任占梅 (华南师范大学物理与电信工程学院,广州510631) 提要:本系列论文对非局域空间光孤子的理论研究进展进行了综述。弱非局域篇讨论在弱非局域程度条件下空间光孤子的传输特性。 关键词:非局域非线性薛定谔方程;空间光孤子;弱非局域中图分类号:TN 248.1 文献标识码:A 文章编号:0253-2743(2005)03-0001-03 Progress of theoretical research on nonlocal spatial optical solitons(1)-w eak nonlocality RE N Zhai -mei (School of Physics and T elecom Engineering ,S outh China N ormal University ,G uangzhou 510631) Abstract :In this series papers we review the progress of the theoretical research on nonlocal spatial optical s olitons ,and the first one em phases on the proper 2ties of the nonlocal spatial optical s olitons under the weak nonlocality. K ey w ords :nonlocal nonlinear Schrodinger equations ;spatial optical s olitons ;weak nonlocality 收稿日期:2004-04-051 引言 空间光束(beam )在介质中传输时,会由于衍射效应而发散;另一方面,光场自感应非线性折射率会对光束产生聚焦作用。空间光孤子(optical spatial s olitons )〔1〕 是由于衍射效应与非线性效应达到平衡时,光束在没有边界的介质环境中形成的一种自陷(self -trapping )或自导(self -guiding )的稳定传输状态。空间光孤子具有平面波波前,因而会保持其横剖面大小不变地稳定传输。“空间光孤子”又简称为“空间孤子”。在不与“时间(脉冲)光孤子”一词混淆的前提下,有时也将”空间光孤子”简称为”光孤子”或直接称”孤子”。本文中,如无特别说明,“孤子”,“光孤子”或“空间孤子”均指“空间光孤子”。空间光孤子的研究不仅可以使我们扩展对基本物理现象的理解,而且更重要的是空间光孤子本身在光子(全光)信息处理(全光空间调制和图象处理,全光开关,全光互连,以及全光逻辑光路等)方面有广泛的应用。光子信息处理技术是实现高速率、大容量全光网络和光计算机中必不可少的关键单元技术。随着数字化、信息化社会的来临,高速率、大容 量信息网络体系的发展将是国家信息基础设施的核心内容, 如此宽带网络中的信息载体非光莫属,就是说,未来的信息 网络必定是全光网络。全光网络不仅是国家信息基础设施的核心,也是全球信息一体化的基础。光计算是大规模并行 计算的首选方案,是新一代计算机的发展方向。由于全光网 络和光计算机的关键是全光控制技术,而空间光孤子是各种实现全光控制技术的基础原理之一,因此,对空间光孤子特 性的全面研究和彻底掌握,显然具有非常重要的学术价值、实用价值和战略意义。 空间光孤子的种类繁多,内容极为丰富〔1〕 。根据材料对光场效应的不同非线性机理,可将空间光孤子分为克尔(K err )或克尔类(K err -like )孤子,二次孤子(quadratic s oli 2tons ),光折变孤子(photorefractive s olitons )等等。除了根据不 同材料对空间光孤子进行分类,还可以其表现方式进行分 类,这样的分类方法不直接与具体的材料发生联系.根据后 一分类法,可将空间光孤子分为相干孤子(coherent s olitons ), 不相干孤子(in -coherent s olitons ),离散孤子(discrete s olitons ),多分量矢量孤子(multi -component vector s olitons ),腔孤子 (cavity s olitons ),非局域孤子(nonlocal s olitons ),时空孤了(spa 2tio -temporal s olitons )等类别。 近年来,非局域空间光孤子一空间非局域非线性介质中 的空间光孤子〔2,3〕———引起了人们的广泛关注.理论 〔2,4-14〕和实验〔15-21〕上均取得了相当进展。空间非局域非线性介质 中光束的传输行为由非局域非线性薛定谔方程(nonlocal non 2 linear Schrodinger equation ,NN LSE )(非线性项是空间响应函数 和光强的卷积)唯象地描述〔2,6,9〕。所谓空间非局域非线性 介质,是指介质对光场的非线性响应,不仅与该点的光场有 关而且与空间中其他点的光场有关,材料的空间非局域性起 源于物质内对光场响应的单元(电子、分子或激子等,材料中 对光场响应的不同单元对应于不同的非线性机理〔 23〕)的空间相关性。如果材料的这种相关性为零,则这种材料是局域 性材料。局域非线性介质中传输的空间光孤子是局域孤子。1997年以前讨论的空间孤子,都是局域孤子(克尔介质中存 在的空间孤子,即克尔孤子,由非线性薛定谔方程描述)或者弱局域孤子(比如,光折变孤子)。 1997年国际著名导波光学专家A.W.Snyder (经典著作《Optical Waveguide Theory 》一书作者)和其同事D.J.Mitchell 发 表在Science 的文章〔2〕 正式揭开了非局域空间光孤子研究的序幕。Snyder 和Mitchell 在强非局域条件下,将非局域非线性薛定谔方程近似为线性模型,发现存在空间孤子解。Snyder 和Mitchell 称此空间孤子为“线性孤子”(accessible s olitons )〔1〕。 将非线性问题转化为线性问题处理,是一创举。对此,著名非线性光学专家沈元壤博士给予了高度评价。在同期Sci 2 ence 上发表的评论文章〔3〕中,他将Snyder 和Mitchell 提出的 模型称为Snyder -Mitchell 模型,并认为该模型是“无价的(in 2valuable )”。在该评论文章的最后,沈元壤博士写道:“Snyder 和Mitchell 的工作会引起新一轮的光孤子研究热潮”〔2〕。 虽然严格而言,光折变孤子也应该划分到非局域孤子的范畴,但由于已经由两篇综述性文章〔1,22〕 详细讨论了光折变 孤子,本文将不包括此内容.本文的内容仅限于Snyder -Mitchell 模型提出后的工作,并且重点讨论唯象理论的研究 进展。对于具体不同的材料而言,光与物质相互作用所引发 的光场自感应非线性折射率机理是不相同的〔23〕 ,因而需要讨论不同的具体模型。2 光束在非线性非局域介质中传输的一般描述及其分类 非局域立方非线性介质中传输的傍轴光束满足非局域非线性薛定谔方程(NN LSE )〔 2,6,9〕 i 9ψ9z +μΔ┴ψ+ρψ∫ +∞ -∞R (x -x ′)|ψ(x ′,z )|2d D x ′=0(1)其中ψ(x ,z )是旁轴光束,μ=1/2k ,ρ=k η,η是介质常数(η>0,η<0分别表示聚焦或散焦介质),k 是不考虑非线性效应时介质中的波数(即k =ωn 0/c ,n 0是介质的线性折射率),z 为径向坐标(光束的传输轴),x 和x ′,代表D 维(D =1或2)横向空间坐标矢量,d D x ′,是x ′,点的D 维积分体积元,Δ┴是D 维的横向拉普拉斯算符。上式中,R 是介质的非线性对称实响应函数,满足归一化条件。非局域程度是一个相对的概念.根据光束函数ψ的宽度(光束束宽)与介质非线性响应函数R 的宽度(材料的非线性相关长度)的相对大小,可将非局域程度分为四类〔9,10〕:局域(local )类,弱非局域(weakly nonlocal )类,一般性非局域(gener 2al nonlocal )类,强非局域(strongly nonlocal )类。对于响应函数是δ函数的极限情况(R (x )=δ(x )),非局域程度是局域的〔如图1(a )所示〕;弱非局域程度对应于材料的非线性相关长度远远小于光束束宽的情形〔如图1(b )所示〕;与之相反,强非局域程度要求在介质里传输的光束之束宽远远小于介质的非线性相关长度〔如图1(d )所示〕。除(a ),(b )和(d )以外的其他情形是一般性非局域程度。 一般情况下,方程(1)是一个微分-积分方程,难以找到 1 《激光杂志》2005年第26卷第3期 LASER JOURNA L (V ol.26.N o.3.2005)
在非線性介質中的光傳播行為 文／石明豐 一、簡介 1834年時，一位蘇格蘭科學家John S. Russell[1]沿著一條窄而淺的運河旁騎馬，他發現了如下景象，當一艘小船突然停下後，原本在船艏前方被推動的水因慣性的關係繼續向前進，奇特的是，在這單一“突起的水”的前方和後方，運河的水面是非常平靜而沒有任何波動，他好奇地騎馬跟隨這單一“突起的水”走了好幾哩後，發現這“突起的水”的形狀、大小仍不見有任何改變，Russell 於是在他的筆記本記下了他觀察到這樣一個“孤立升起”(solitary elevation)的水波現象。50年後，兩位荷蘭科學家Korteweg 和de Vries 發現要觀察上述“孤立升起”的水波現象，這升起水面的振幅必須非常的大，如果這升起水面的振幅不夠大時，就只能引起一般的水波，而且在傳播不久後就會消散。他們了解到，這表示著大的振幅和小的振幅會使水波有不同的行為，也可以說水--這個傳播水波的介質--對水波振幅的反應是非線性的。 現在回到我們的主題--光在非線性材料中傳播的行為，雖然我們在大學時學電磁學及電磁波的時候，教科書總會在例題或習題中假設，電磁波傳播的介質是線性的，意即不管電磁波的振輻大小， 折射率(介電係數和介磁係數的函數)總是不會改變，這樣在解題時，線性的微分方程式是比較容易解的，然而介電係數代表的是電場(E)和極化強度(P)之間的比例關係，如同彈簧的虎克定律一樣，當外力大到某一個程度時，彈簧的形變量和外力就不再是成正比，相同地，當電場強度大到某一個程度時，極化強度和電場就不再是正比關係，如此介電係數在電磁波的電場振幅較大時，和電場振幅較小時的值必然不同，這就表示這個傳播電磁波的介質對電磁波振幅的反應是非線性的，換句話說，折射率將會是電磁波振幅的一個函數。在光學上，我們也可以說，折射率不是一個定值而是一個光強度的函數。但如此一來，要解一個電磁波或光波在介質中的行為就變得複雜的多了，而且在不同材料中，折射率和電場關係也不儘相同，所以我們無法找到一個電磁波或光波在非線性材料中傳播的通解，甚至在很多的情況下，找不到解析解。 和折射率受到光強影響而改變的物理現象有許多種，如相位共軛光 (如圖一)，當Signal 和Pump 1入射到非線性材料時，因為干涉的原因而產生週期性的亮暗條紋，並因此在非線性材料中產生週期性的折射率的變化，這週期性折射率變化就如同光柵一般，另一道光Pump 2入射後受到這個光柵的影響會以如圖1中PC光的方向繞射出去，相同的Signal 和Pump 2所產生的光柵也會使Pump 1以PC的方向繞射出去，這道以PC方向繞射出去的光其相位和Signal光在空間中的相位會
1.1光镊技术简介 光镊是以激光的力学效应为基础的一种物理工具，是利用强会聚的光场与微粒相互作用时形成的光学势阱来俘获粒子的【4】。1969年，A. Ashkin等首次实现了激光驱动微米粒子的实验。此后他又发现微粒会在横向被吸入光束（微粒的折射率大于周围介质的折射率）。在对这两种现象研究的基础上，Ashkin提出了利用光压操纵微粒的思想，并用两束相向照射的激光，首次实现了对水溶液中玻璃小球的捕获，建立了第一套利用光压操纵微粒的工具。1986年，A. Ashkin等人又发现，单独一束强聚焦的激光束就足以形成三维稳定的光学势阱，可以吸引微粒并把它局限在焦点附近，于是第一台光镊装置就诞生了【5，6】。也因此，光镊的正式名称为“单光束梯度力势阱” （single-beam optical gradient force trap）。 由于使用光镊来捕获操纵样品具有非接触性、无机械损伤等优点，这使得光镊在生物学领域表现出了突出的优势。这些年来，随着研究的深入和技术的不断完善，光镊在生物学的应用对象由细胞和细胞器逐步扩展到了大分子和单分子等。目前，光镊常被用来研究生物过程中的细胞和分子的运动过程【7-10】，也常被用来测量生物过程中的一些力学特征【11-14】。 1.2光镊的原理与特点 众所周知，光具有能量和动量，但是在实际应用中人们经常利用了光的能量，却很少利用光的动量。究其原因，这主要是因为在生活中我们接触到的自然光和照明光等的力学效应都很小，无法引起人们可以直接感受到或观察到的宏观效应。而科学家们利用激光所具有的高亮度和优良的方向性，使得光的力学效应在显微镜下显现了出来，在这里我们要介绍的光镊技术正是以这种光的力学效应为基础发展起来的。 1.2.1光压与单光束梯度力光阱 光与物质相互作用的过程中既有能量的传递，也有动量的传递，动量的传递常常表现为压力，简称光压。1987年，麦克斯韦根据电磁波理论论证了光压的存在，并推导出了光压力的计算公式。1901年，俄国人П.Н.列别捷夫用悬在细丝下的悬体实现了光压的实验测量【15】。此后，美国物理学家尼克尔、霍尔也
《光镊原理及应用》课程教学大纲 一、课程基本信息 课程中文名称：光镊原理及应用 课程英文名称：Optical tweezers theory and application 开课学期：2 学时：16 学分：1 二、课程目的和任务 激光生物学是多学科交叉的新兴学科，其中以激光微束光阱效应为基础的光镊技术是生命科学和生物工程研究的有力工具，已成为当前生物物理学中新方法和新仪器的研究热点之一。是光子技术和生命科学相互交叉与渗透而形成的一门新的边缘学科，课程教学目标：让光镊在生命学科及其他应用领域中的作用与地位，逐步树立科学的世界观，促进综合素质的提高；帮助学生获得光镊的基本知识，掌握光镊相关技术。通过课程小论文与研讨，让学生了解本学科的发展前沿，培养学生的创造型思维；开放式的教学，提高学生的综合分析和解决问题的能力。 三、教学内容与基本要求 教学主要内容及对学生的要求： 教学主要内容 第一章 光镊技术的产生与发展 光镊技术的理论研究、光镊技术的应用研究 国内外光镊技术的研究现状 第二章 光镊技术及其基本原理 光镊技术的描述、光镊的基本原理、光辐射压力、 梯度力和散射力、二维光学势阱、基于激光微束的三维光学势阱 第三章 光镊的理论分析与计算方法 光镊理论计算的意义、粒子分类与计算方法、光阱力与光操纵束缚条件第四章 光镊的系统构成与技术性能
传统光镊的原理、系统构成、激光器和显微镜的选取、多光镊技术 第五章 光纤光镊技术 远场光纤光镊、近场光镊 第5章 光镊技术的发展应用 光镊技术在生物学方面应用、光镊在分子生物学领域的应用、光镊与其它技术的结合应用 对学生的要求： 1、 对光镊原理方法有明确认识。 2、 对光镊系统的性能、参数能深入了解，并能自由运用。 3、 能够了解光阱力的计算方法。 4、 有查阅外文资料的能力。 五、教学设计及方法 教学方式 1) 教学与科研结合，激发学生的求知欲 2)专家讲授与教师专题讲座相结合，拓展学生知识面 3)理论与实践结合，加强学生实验技能的训练 4)中、英双语教学相结合，提高学生国际交流能力 5)撰写专题调研报告，培养学生的自主创新能力 教学手段 将多种现代的教学手段运用于课程教学之中，多方位多途径地展教学活动，以激发学生学习兴趣，提高教学效果。 1)将多媒体教学与板书相结合，以解决学时少内容多的矛盾 2)课件与电视录像片相结合，以提高学生的自学能力 3)丰富的网络资源为学生学习提供良好的软环境 六、调查、参观、实践、实验内容 七、主要参考资料 [1]《光镊原理、技术和应用》李银妹编译中国科学技术大学出版社1996 [2]《时域有限差分法FDTD Method 》 高本庆 国防工业出版社.1995年 [3][《非均匀介质中的场与波》美]Weng Cho Chew 著聂在平，柳清伙译电子工业出版社,1992年 [4] Ashkin A. Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beams. Nature, 1987, 33: 256-
第31卷第3期吉首大学学报(自然科学版) Vol.31No .32010年5月Journ al of Ji shou Universit y (Nat ural Science Edit ion)May 2010 文章编号:10072985(2010)03004704 园型边界条件下强非局域非线性介质的二维空间孤子 * 徐四六,陈顺芳 (咸宁学院电子与信息工程学院,湖北咸宁437005) 摘要:利用自相似技术求解在强非局域非线性条件下的(2+1)维非线性薛定谔方程,从中得到1个精确的贝塞尔(Bessel)解析解,其结果表明:这种贝塞尔孤子形成了一类空间孤子簇. 关键词:空间光孤子;自相似技术;强非局域非线性 中图分类号:O437文献标识码:A 近年来,非线性物理中的一个新的研究领域 非局域孤子引起了人们广泛关注[12].在该领域无论是理论研究,还是实验研究[36] ,都取得了迅速的发展.2001年Nikolov 等[7]得到在弱非局域介质中非线性薛定谔方程的精确孤子解,2003年Conti 等[89]从理论和实验均已表明,向列相液晶(nematic liquid crys tals)是一种具有强非局域性的非线性介质.随后人们发现铅玻璃(lead glass)是强非局域性的非线性介质[10],尤其在向列液晶中,基于强非局域空间光孤子相互作用特性[11]的光子逻辑门和光子开关的原理性实验已经取得成功[12].2004年N ikolov 等人[13]在理论上预言了二次空间孤子(quadraticsolitons)在一定条件下可等效为强非局域孤子,并发现非局域暗孤子之间的相互作用表现为吸引力[14].笔者采用自相似技术得到一个精确的贝塞尔解析解,从中发现此孤立波传输特性由贝塞尔多项式参数(m,n)、材料参数、角分布和光束宽决定. 1(2+1)维强非局域非线性薛定谔方程模型及自相似解 在直角坐标系中,在非局域非线性介质中,沿Z 方向传输的光束演化可以写成归一化形式的非线性薛定谔方程[3]: i z +!2-r 2=0.(1)其中:r =x 2+y 2;!=12k ;=!2kn 0w 4m .根据文献[3],定义光波的幅度为(z,r ,#)= F ()w (z)%(&)e i B(z,r),B(r ,z)=c(z)r 2+a (z).在极坐标系中,2=1 r r (r r )+1 r 22&2,w(z )是光束的束宽,(z,r )是自相似变量,a(z)是相移,c(z)代表波前曲 率,它们都是传输距离的函数.通过计算可得 %(&)=cos m&+iqsin m&, (2)* 收稿日期:20091126 基金项目咸宁学院理科基金资助项目(KY )作者简介徐四六(6),男,湖北咸宁人,湖北咸宁学院物理系副教授,博士,主要从事光学空间孤子和数值模拟研究:0717:199.
《光通信原理与技术》课程教学大纲 课程中文名称：光通信原理与技术 课程英文名称：Optical Communication Technology 课程编号：ZF17402 课程性质：专业方向课 学时：（总学时54、理论课学时42、实验课学时12） 学分：3 适用对象：电子科学与技术专业本科学生 先修课程：电磁场与电磁波、通信原理等 课程简介：随着网络化时代的到来，人们对信息的需求与日俱增。现代光通信原理在现代信息科学技术中更是占有举足轻重的作用。通过本课程的学习，使学生掌握和了解光纤通信的原理，系统组成，关键技术及新技术，实际应用的光纤通信系统，以及当前光纤通信领域的最新动态，为今后从事与之相关的工作打下基础。 一、教学目标及任务 光通信原理与技术是电子科学与技术本科专业学生专业课程模块中的一门核心课程，通过本课程的学习，学生将掌握光纤通信的基本原理和光纤数字通信系统的组成，了解光纤通信的未来与发展，为进一步学习现代光纤通信技术打下基础。本课程对培养学生综合应用以前所掌握的光学和通信系统基本知识、模拟和数字通信基本知识等有良好的促进作用。 二、学时分配
三、教学内容及教学要求 第一章光纤通信概论（4学时） 教学要求： 1．了解光纤通信发展的历史； 2．理解光纤通信系统在当今通信领域的重要地位和作用及基本组成。 教学重点与难点： 1．光纤通信发展的历史； 2．光纤通信系统的基本组成。 教学内容： 第一节光纤通信发展史 1．什么是光纤通信； 2．光纤通信中光的作用及特性； 3．光纤通信的优势； 第二节光纤通信系统 1．光发射机； 2．光纤； 3．光接收机； 4．光放大器； 本章习题要点： 光纤通信系统就其基本组成而言有三部分：光发射机、光纤和光接收机，学生应掌握它们的概念和作用。作为光传输煤质的光纤，其衰减特性决定了它的工作波长以及光系统的作用距离，这种局限可由光放大器大大缓解。光纤的色散则限制了传输数据的速率。输入到光纤中光强的大小对光纤特性也有影响，这就是非线性效应。通信容量作为光纤通信系统的主要性能指标也应掌握。 第二章光纤（8学时） 教学要求： 1．了解光纤的种类及其不同的用途； 2．理解阶跃和梯度光纤的光线理论，了解用光线法分析多模光纤的传输原理； 3．理解单模光纤的波动理论。掌握用波动理论讨论单模光纤中的模式特性，光纤中模式的概念，光纤的单模条件； 4．掌握光纤的损耗及色散概念及特性； 5．了解光纤的带宽概念。 教学重点与难点： 1．数值孔径、传播时延、时延差的概念及影响因素；； 2．光纤单模传输条件；
《光纤通信原理与技术》课程教学大纲 英文名称：Fiber Communication Principle and its Application 学时：51 学分：3 开课学期：第7学期 一、课程性质与任务 通过讲授光纤通信技术的基础知识，使学生了解掌握光纤通信的基本特点，学习光纤通信系统的三个重要组成部分：光源（光发射机）、光纤（光缆）和光检测器（光接收机）。通过本课程的学习，学生将掌握光纤通信的基本原理、光纤通信系统的组成和系统设计的基本方法，了解光纤通信的未来与发展，为今后的工程应用和研究生阶段的学习打下基础。 二、课程教学的基本要求 要求通过课堂认真听讲和实验课，以及课下自学，基本掌握光纤通信的基础理论知识和应用概况，熟悉光纤通信在电信、通信中的应用，为今后的工作打下坚实的理论基础。 三、课程内容 第一章光通信发展史及其优点（1学时） 第二章光纤的传输特性（2学时） 第三章影响光纤传输特性的一些物理因素（5学时） 第四章光纤通信系统和网络中的光无源器件（9学时） 第五章光纤通信技术中的光有源器件（3学时） 第六章光纤通信技术中使用的光放大器（4学时） 第七章光纤传输系统（4学时） 第八章光纤网络介绍（6学时） 第九章光纤通信原理与技术实验（17课时） 四、教学重点、难点 本课程的教学重点是光电信息技术物理基础、电光信息转换、光电信息转换，光电信息技术应用，光电新产品开发举例。本课程的教学难点是光电信息技术物理基础。
五、教学时数分配 教学时数51学时，其中理论讲授34学时，实践教学17学时。（教学时数具体见附表1和实践教学具体安排见附表2） 六、教学方式 理论授课以多媒体和模型教学为主，必要时开展演示性实验。 七、本课程与其它课程的关系 1.本课程必要的先修课程 《光学》、《电动力学》、《量子力学》等课程 2.本课程的后续课程 《激光技术》和《光纤通信原理实验》以及就业实习。 八、考核方式 考核方式：考查 具体有三种。根据大多数学生学习情况和学生兴趣而定其中一种。第一种是采用期末考试与平时成绩相结合的方式进行综合评定。对于理论和常识部分采用闭卷考试，期末考试成绩占总成绩的55％，实验成绩占总成绩的30%，作业成绩及平时考勤占总成绩的15％；第二种是采用课程设计（含市场调查报告）和平时成绩相结合的方式，课程设计占总成绩的55%，实验成绩占总成绩的30%，作业成绩及平时考勤占总成绩的15%。第三种是采用课程论文（含市场调查报告）和平时成绩相结合的方式，课程论文占总成绩的55%，实验成绩占总成绩的30%，作业成绩及平时考勤占总成绩的15%。 九、教材及教学参考书 1.主教材 《光纤通信原理与技术》，吴德明编著，科学出版社，第二版，2010年9月 2.参考书 （1）《光纤通信原理与仿真》，郭建强、高晓蓉、王泽勇编著，西南交通大学出版社，第一版，2013年5月 （2）《光通信原理与技术》，朱勇、王江平、卢麟，科学出版社，第二版，2011年8月
光镊技术在原子物理和生命科学中的应用与发展 信息工程系 王 坚 [摘要] 激光陷阱和控制、操作中性微小粒子的光镊技术是以光的辐射压原理为基础的，利用光与物质间动量的传递的力学效应形成三维梯度光学陷阱。光压的实际应用在20世纪激光诞生后才得以实现。由于激光突出的高方向性、高相干性、高亮度产生的辐射压高于一般的光，所以使得基于光压原理的光镊能够被发现并运用。光镊能够捕获和操纵微米尺度粒子成为捕获操纵粒子独特且有效的手段，并且这种方法在物理和生物科学等领域掀起了一场技术革命。本文简要回顾了早期光镊技术在原子物理和生命科学中的应用与发展，以及当代光镊技术研究的最新成就。 [关键词] 激光陷阱，光镊，激光 1． 引言 光镊是基于光的力学效应的一种新的物理工具，它如同一把无形的机械镊子，可实现对活细胞及细胞器的无损伤的捕获与操作。光镊的发明正适应了生命科学深入到细胞、亚细胞层次的研究趋势，也为生物工程技术提供了一种新的手段。仅仅20年光镊的应用已展示其在物理和生命科学领域中无限美好的应用前景。 2. 光镊技术原理 2.1光压原理 光镊技术是基于光压原理的，光压原理在牛顿和开普勒时期就已经提出来了但是一直都没有什么应用。光的压力原理早期只有在天文学中有些应用，德国的天文学家开普勒，在17世纪初提出彗尾之所以背向太阳的原因是，其受到了太阳辐射光压的作用力。因为只有在天文学研究中当光的强度和距离都非常大的时候，光压对物质的影响才会明显的表现出来。1873年Maxwell 从光的波动理论角度根据电磁理论推导出了光压的存在（电磁辐射压）并且给出了垂直入射到部分反射吸收体表面的光束的光压为： ()R c E p +=1 其中,E 为每秒钟垂直入射到12m 上的能量，c 为光速，R 为物体对光的反射系数。
光纤激光器的原理及应用 张洪英 哈尔滨工程大学理学院 摘要：由于在光通信、光数据存储、传感技术、医学等领域的广泛应用，近几年来光纤激光器发展十分迅速，且拥有体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等明显优势。本文简要介绍了光纤激光器的基本结构、工作原理及特性，并对目前几种光纤激光器发展现状及特点做了分析，总结了光纤激光器的发展趋势。 关键词：光纤激光器原理种类特点发展趋势 1引言 对掺杂光纤作增益介质的光纤激光器的研究20世纪60年代，斯尼泽(Snitzer)于1963年报道了在玻璃基质中掺激活钕离子(Nd3+)所制成的光纤激光器。20世纪70年代以来，人们在光纤制备技术以及光纤激光器的泵浦与谐振腔结构的探索方面取得了较大进展。而在20世纪80年代中期英国南安普顿大学掺饵(EI3+)光纤的突破，使光纤激光器更具实用性，显示出十分诱人的应用前景[1]。 与传统的固体、气体激光器相比，光纤激光器具有许多独特的优越性，例如光束质量好，体积小，重量轻，免维护，风冷却，易于操作，运行成本低，可在工业化环境下长期使用；而且加工精度高，速度快，寿命长，省能源，尤其可以智能化，自动化，柔性好[2-3]。因此，它已经在许多领域取代了传统的Y AG、CO2激光器等。 光纤激光器的输出波长范围在400~3400nm之间,可应用于：光学数据存储、光学通信、传感技术、光谱和医学应用等多种领域。目前发展较为迅速的掺光纤激光器、光纤光栅激光器、窄线宽可调谐光纤激光器以及高功率的双包层光纤激光器。 2光纤激光器的基本结构与工作原理 2.1光纤激光器的基本结构 光纤激光器主要由三部分组成：由能产生光子的增益介质、使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和可使激光介质处于受激状态的泵浦源装置。光纤激光器的基本结构如图2.1所示。
精品文档 1.1光镊技术简介 光镊是以激光的力学效应为基础的一种物理工具，是利用强会聚的光场与微粒相互作用时形成的光学势阱来俘获粒子的【4】。1969年，A. Ashkin等首次实现了激光驱动微米粒子的实验。此后他又发现微粒会在横向被吸入光束（微粒的折射率大于周围介质的折射率）。在对这两种现象研究的基础上，Ashkin提出了利用光压操纵微粒的思想，并用两束相向照射的激光，首次实现了对水溶液中玻璃小球的捕获，建立了第一套利用光压操纵微粒的工具。1986年，A. Ashkin等人又发现，单独一束强聚焦的激光束就足以形成三维稳定的光学势阱，可以吸引微粒并把它局限在焦点附近，于是第一台光镊装置就诞生了【5，6】。也因此，光镊的正式名称为“单光束梯度力势阱”（single-beam optical gradient force trap）。由于使用光镊来捕获操纵样品具有非接触性、无机械损伤等优点，这使得光镊在生物学领域表现出了突出的优势。这些年来，随着研究的深入和技术的不断完善，光镊在生物学的应用对象由细胞和细胞器逐步扩展到了大分子和单分子等。目前，光镊常被用来研究生物过程中的细胞和分子的运动过程【7-10】，也常被用来测 量生物过程中的一些力学特征【11-14】。 1.2光镊的原理与特点 众所周知，光具有能量和动量，但是在实际应用中人们经常利用了光的能量，却很少利用光的动量。究其原因，这主要是因为在生活中我们接触到的自然光和照明光等的力学效应都很小，无法引起人们可以直接感受到或观察到的宏观效应。而科学家们利用激光所具有的高亮度和优良的方向性，使得光的力学效应在显微镜下显现了出来，在这里我们要介绍的光镊技术正是以这种光的力学效应为基础发展起来的。 1.2.1光压与单光束梯度力光阱 光与物质相互作用的过程中既有能量的传递，也有动量的传递，动量的传递常常表现为压力，简称光压。1987年，麦克斯韦根据电磁波理论论证了光压的存在，并推导出了光压力的计算公式。1901年，俄国人П.Н.列别捷夫用悬在细丝下的悬体实现了光压的实验测量【15】。此后，美国物理学家尼克尔、霍尔也精品文档． 精品文档 分别测量了光压【16】。20世纪70年代，人们开始研究激光的辐射压力，并发 展了原子束的激光偏转【17】、激光冷却【18】、光子粘团【19】等实验技术。在宏观微粒的光压力研究方面，由光悬浮发展到光捕获、光致旋转等【20】。1970年，A.Ashkin【21】首次实现了水溶液中的光悬浮。随后的一些研究【22-25】 最终导致了光镊的发明。 通常光对物体的作用力都是推力。但是，在一定条件下光也可以对物体产生拉力，或更一般的，产生束缚力。这就牵涉到光对物体作用的梯度力。 为了阐明梯度力的概念，以透明介质
奇偶对称波导中光学模式及其稳定性 【摘要】：空间光学孤子因其特有的性质,在现代光学通信中占有重要的地位,尤其是在全光通信,全光空间调制以及数据储存等方面有着巨大的潜力和应用价值。奇偶(PT)对称的概念,虽然首先被应用于量子力学在复数域中的推广,但是光学作为其发展的重要平台,其独特的性质已被实验所证实,因而近些年来引起了人们广泛地关注。本文在对光孤子和PT对称背景介绍的基础上,详细地讨论满足PT对称条件下空间光孤子的光学模式和传输特性,并分析它们的稳定性。本文的主要内容有三个方面：1.首先利用Maxwell方程组推出非线性薛定谔方程(NLSE)，以这样一个基本方程来描述空间光孤子在非线性介质中的传输特性。本文主要研究满足PT对称的非线性介质,同时介绍非线性薛定谔方程数值求解的两种方法——牛顿迭代法和平方算符法,以及模拟光孤子传输的方法——分步傅里叶方法。2.主要研究非线性奇偶波导中光学模式的特性及其稳定性。利用数值方法模拟基态光学模式,讨论各参数对模式的影响,同时分析基态模式的传输稳定性。结果表明,在非线性奇偶对称波导中存在基态光学模式,并且可以稳定的传输。通过功率和复折射率虚部振幅的相互依赖关系可以直观地判断光学模式传输时的稳定性。3.主要讨论非线性奇偶波导中激发态光学模式的特性及其传输稳定性。类似于基态情况,分别用牛顿迭代法和平方算符法数值求解非线性薛定谔方程,得出光孤子的光学模式,并比较两种方法的精确程度。结果证明平方算符法迭代的速度更快,精确程
度更高。同时研究各个参数对激发态模式的影响,以及其在传输过程中的稳定性。【关键词】：光孤子非线性薛定谔方程奇偶对称复折射率稳定性 【学位授予单位】：山西大学 【学位级别】：硕士 【学位授予年份】：2013 【分类号】：O437 【目录】：中文摘要8-9ABSTRACT9-10第一章引言10-151.1孤子研究历史以及概述101.2光孤子10-131.2.1时间光孤子10-111.2.2空间光孤子11-121.2.3时空光孤子12-131.3PT对称量子力学简介13-141.4PT对称光学波导141.5本文主要内容简介14-15第二章理论模型与研究方法15-212.1非线性薛定谔方程——NLSE15-162.2牛顿迭代法16-182.3平方算符法18-192.4分步傅里叶法19-202.5本章小结20-21第三章PT对称波导中基态光学模式及其稳定性21-293.1PT 对称波导中孤子模型及约化21-273.1.1线性情况22-243.1.2非线性情况24-273.2基态光学模式的稳定性27-283.3本章小结28-29第四章PT对称波导中激发态光学模式及其稳定性29-364.1激发态模式的光学特性29-334.1.1线性情况29-304.1.2非线性情况30-334.2激发态模式的传输稳定性33-344.3两种迭代算法的比较34-354.4本章小结35-36总结与展望36-37参考文献37-41硕士期间发表的论文41-42致谢42-43个人简况及联系方式43-45 本论文购买请联系页眉网站。
光镊原理及其应用 摘要：激光的发明使得光的力学效应走向了实际应用。本文介绍了光镊技术的基本原理及其在生物科学方面的一些应用。 关键词：光镊；光的力学效应；生物科学；应用 1 引言 光镊是A. Ashkin[1]在关于光与微粒子相互作用实验的基础上于1986年发明的。光镊在问世之初被看作是微小宏观粒子的操控手段，并渐渐成了光的力学效应的研究和应用最活跃的领域之一。近20年来光镊技术的研究和应用得到了迅速的发展，特别是在生命科学领域，光镊已成为研究单个细胞和生物大分子行为不可或缺的有效工具。 2 基本原理 光镊的基本原理在于光与物质微粒之间的动量传递的力学效应。对于直径大于波长的米氏散射粒子来说，光镊的势阱原理可以用几何光学来解释[1~3]。如图1（a）所示。入射光线A将光子的动量以辐射压的形式作用于粒子小球，力的作用方向与光线入射方向相同。A经过若干反射、折射后，以光线A’出射。入射光线的辐射压减去出射光线的辐射压为粒子小球所受的净剩力F A。图1（b）为作用力简图，实际力的作用过程较此复杂，A’应为所有（包括反射光透射光）出射光线辐射压的合力，但结果与此相似，小球受轴向指向焦点的力。 对于直径小于激光波长的瑞利散射颗粒，适用于波动光学理论[1]和电磁模型。波动光学理论（也是光镊的基本理论）认为，在光轴方向有一对作用力：与入射光同向正比于光强的散射力和与光强梯度同向正比与强度梯度的梯度力。在折射率为n m的介质中，折射率为n p 的瑞利粒子所受的背离焦点的散射力为[1] F scat =n m P scat/ c （1） 这里P scat为被散射的光功率。或用光强I0和有效折射率m = n p / n m表示为 （2） 对于极化率为α的球形瑞利粒子所受的指向焦点的梯度力为
无线光通信的原理和核心部件的一些思考 发表时间：2018-12-17T14:31:34.300Z 来源：《防护工程》2018年第27期作者：吴峥[导读] 需要发射出数据信号，然后借助光信号进行传输，最终接收完成信息传输任务。 联通（广东）产业互联网有限公司摘要：现阶段，随着科技水平的不断提升，在很大程度上促进着我国通信行业的发展。通信技术作为通信行业的重要支撑力量，在很大程度上决定着传输效率。以往传统的无线电以及光纤通信技术，虽然不会受到地形方面的影响，信道容量非常大，但是传输效率却非常慢。在这种情况下，我们积极的应用无线光通信技术，不仅不会受到地形因素的影响，而且还有着较强的保密性以及较快的传输效率。基 于此，本文深入浅出地阐述了无线光通信原理；其次分析了无线光通信核心部件；最后探讨了无线光通信优缺点。关键词：无线光通信；优缺点；研究分析 一、无线光通信原理概述无线光通信技术的的工作原理，主要包含着以下三个方面的内容：首先，需要发射出数据信号，然后借助光信号进行传输，最终接收完成信息传输任务。无线光通信系统应用的是光电转换技术，在调制完成电信号对光发射机的光源之后，借助具备天线功能的光学望远镜来传输光信号，在望远镜接受到信号后，将信号全部集中在光电检测器，其次信号到达接收机后，完成光信号转换成电信号，然后经过调制调解器，完成信息读取工作，最终接入无线光信号。但是，在这一过程当中需要我们指出的是，光波信号的不同，其透过率也是存在着一定的差异的。在这种情况下，我们要想更加有效的提升透过率以及系统功率，我们就必须要选择更高性能的波段窗口，来确保光信号的稳定传输。 二、无线光通信核心部件分析（一）无线光通信发射机无线光信号主要是借助发射机所产生的，通过将不同类型的电信号，在经过调制解调器的转换之后，成为光信号。无线光通信并不是借助光缆进行传输的，因此光信号主要是椭圆光斑，是由激光管芯激发进而产生的。在这一过程当中，光学行为耦合替代了以往的同轴耦合，传输距离越远的话，那么耦合准值也就越高。我们在设定耦合准值的过程当中，需要充分结合光学耦合效率来进行，避免影响到信号的接收。此外，我们在借助发射机发射光信号的过程当中，应积极的做好人眼防护措施，避免造成危害。（二）无线光通信光学天线无线光信号并不会受到光纤输送路径方面的影响，因而在实际的发射过程当中，往往会存在一定的发散角，导致信号出现泄露的现象。在这种情况下，我们要想最大限度的确保最终的接受准确度，我们就应在接收端设置一套光学天线系统，充分借助其凸、凹透镜的聚焦原理，更好的聚集光信号，降低信号的泄露。光学天线的增益效果和天线的孔径存在密切的关联，如果孔径过大或者过小的话，都会在一定程度上影响着最终的接收效益。在这种情况下，我们在选取天线孔径的时候，就需要充分的结合我们的实际工作状况来进行。除此之外，我们还要严格的设定聚光斑点尺寸的精确度，切实提高光信号的接收效率。（三）无线光通信接收机光信号在传播的整个过程当中，所存在的反射以及折射的现象，会产生码间串扰现象。不仅如此，光信号如果受到空气散射的话，也会消耗信号。在这种情况下，我们在选择接收机的时候，就必须要选择一些有着信号接收灵敏度较强、滤波作用较强的接收机。除此之外，我们都知道无线光信号的传输环境是非常复杂的，因此也就会有非常多的因素影响到光信号，这也就需要无线光通信接收机具备更加广泛的接收范围。（四）无线光通信辅助系统无线光通信辅助系统可以说是一套完善的瞄准跟踪伺服系统，这一系统能够实现对光学天线的自动校准，以此来最大限度的确保光纤通信过程当中的可靠高效的传输链路连接。无线光辅助通信系统，在一定程度上增加了通信系统的经济成本以及设备空间，因此厂家往往会将光学天线和收发器两者进行有机的融合，进而制成一体化的机器。对于输送距离比较近的通信系统，我们可以采用高倍望远镜来取代无线光辅助系统，这能够有效的降低经济成本支出。 三、无线光通信优缺点探讨（一）无线光通信的优点无线光通信技术的最大优势，就是其传输效率非常快，并且有着丰富的频谱资源。无线光通信主要是采用无线激光，然后结合波分复用技术，能够有效的将信号传输效率提升到10Gbit/s，这和以往传统的宽带传输速率相比较而言，得到了极大的提升。丰富的频谱资源，这充分的体现在并不需要申请频率许可证的红外光传输上，这一传输技术并不会受到相关技术协议的影响，并且其抗干扰能力也非常强，这也就赋予了无线光通信更大的优势。在经济成本方面，无线光通信和传统的通信技术相比较而言，也得到了一定的降低，并且其适用范围更加的广泛，不会受到地形方面的影响。（二）无线光通信的劣势在这里需要我们注意的是，无线光通信技术也是存在着一定的劣势的，其传输质量，经常受大气环境因素影响，因此在应用场合方面，也就受到了一定的限制。气象因素也会在很大程度上影响到无线光传输的性能，举个例子来说，如果出现大雾天气的话，就会导致光信号出现发散的现象；在面对雨天天气的时候，就会在一定程度上增加光信号的衰减损耗。在这种情况下，我们在使用无线光通信技术的过程当中，就应积极的结合微波通信，然后将其作为备份节点，以此来提高光通信性能。与此同时，由于无线光通信频谱并不具备频率许可证书，因此在实际的应用过程当中，也就存在着一系列的安全问题。例如：激光射频系统，如果在使用的过程当中存在不规范的现象的话，那么我们在远视的过程当中，极有可能会受到一定的伤害。在这种情况下，我们就应加快构建更加完善的无线光通信安全使用标准，确保操作规范。结语
微机原理及应用复习资料(无编程题版) 本页仅作为文档封面，使用时可以删除 This document is for reference only-rar21year.March
一．填空题 1 .MCS-51的堆栈只可设置在内部，堆栈寄存器sp是位寄存器。 2. MCS-51单片机的P0~P4都是并行I/O口，其中的P0口和P2口除了可以进行数据的输入、输出外，通常还用来构建系统的和，在P0~P4口 中，为真正的双相口，为准双向口；口具有第二引脚功能。 3. CPU与内存或I/O接口相连的系统总线通常由__ ___、__ ____、_ __等三种信号组成。 4.当程序状态字PSW的RS0=1，RS1=0时，当前寄存器组选择的是第_ _组寄存器组。 5 .AT89C51单片机有_ ___个中断源，__ __级中断优先级别。 6.MCS-51单片机复位后，栈指针寄存器SP及程序计数器PC的值分别为__ __和__ 。 7.串行通信有_ _通信和通信两种通信方式。 8.51单片机指令按照空间属性分类（指令字节大小）可以分为_ 、、和 类。 9.外部中断1的中断入口地址为_ __。 内部有_ 个并行口,_ 口直接作输出口时，必须外接上拉电阻。 11. DAC0832芯片的转换精度是多少_ _位。 12. P2口通常用作_ _，也可以作通用的I/O口使用。 13.若由程序设定RS1、RS0=01，则工作寄存器R0～R7的直接地址。 14.8051的堆栈区一般开辟在_ _。 15.异步串行数据通讯的帧格式由位、位、位和位组成。 16. 定时器0的中断号为__ __。 17.定时器/计数器的工作方式3是指得将拆成两个独立的8位计数器。而另一个定时器/计数器此时通常只可作为使用。 18.如果51单片机的晶振为6MHz，则机器周期为。 19. MCS89C51单片机的最大寻址空间是，该空间的地址范围为，系统上电及复位的程序入口地址为。 二．选择题 1. CPU主要的组成部部分为（） a）运算器、控制器 b）加法器、寄存器 c）运算器、寄存器 d）运算器、指令译码器 2. INTEL 8051 CPU是（）位的单片机 a） 16 b）4 c）8 d）准16 3. 8031复位后，PC与SP的值为（） a ）0000H，00H b） 0000H，07H c） 0003H，07H d）0800H，00H 4. 8031单片机的( )口的引脚，还具有外中断、串行通信等第二功能。 A. P0 B. P1 5. 51单片机的定时器2的中断号为（） A、 1 B、 2 C、 3 D、4