СОЛИТОНЫ

СОЛИТОНЫ
СОЛИТОНЫ
оптические - оптические импульсы, сохраняющие структурнуюустойчивость огибающей при распространении в нелинейной среде даже приналичии возмущающих факторов и взаимодействий с др. С. В зависимости отхарактера нелинейного взаимодействия излучения с веществом солитонные эффектыв оптике разделяют на резонансные и нерезонансные. В нерезонансных средахоптич. С. формируются в результате баланса двух конкурирующих процессов- дисперсионного расплывания (см. Дисперсия света )и нелинейногосамосжатия (см. Самовоздействия света). Наиб. благоприятные условиядля формирования С. реализуются в одномодовых волоконных световодах благодаряпредельно малым оптич. потерям (~0,2 дБ/км при длине волны излучения 8048-3.jpg= 1,55 мкм) и устойчивости модовой структуры излучения при возрастаниивходной мощности вплоть до значений, близких к порогу самофокусировки.

Временные эффекты самовоздействия (самосжатия) оптич. импульсов обусловленынелинейной добавкой к показателю преломления 8048-4.jpg, где эфф. значение интенсивности 8048-5.jpgопределяется отношением пиковой мощности импульса Р 0 кэфф. площади моды S эф,8048-6.jpg -коэф. нелинейности (в кварцевых световодах 8048-7.jpgсм 2/Вт). При распространении импульса на расстояние z его вершинаприобретает дополнит. фазовый набег 8048-8.jpg(k- волновое число) и, следовательно, зависящую от времени добавку кнесущей частоте 8048-9.jpg.Т. <о., в результате фазовой самомодуляции нарастает несущая частота от фронтаимпульса к его хвосту, т. е. происходит частотная модуляция. Для скоростичастотной модуляции 8048-10.jpgсправедлива оценка 8048-11.jpg,где 8048-12.jpg -длительность импульса.

Другой конкурирующий процесс - дисперсионное расплывание импульса возникаетвследствие дисперсии групповой скорости, характеризуемой величиной 8048-13.jpgСпектрально-ограниченный импульс приобретает частотную модуляцию, скоростьк-рой 8048-14.jpgзависит от пройденного расстояния z, где 8048-15.jpg- дисперсионная длина. В спектральном диапазоне, соответствующем аномальнойдисперсии групповой скорости (8048-16.jpgмкм), частота импульса уменьшается от фронта импульса к хвосту.

Из условия баланса конкурирующих процессов 8048-17.jpgпри прохождении импульсом расстояния 8048-18.jpgможно оценить критич. мощность, при к-рой формируется С.8048-19.jpg8048-20.jpg

Основой для адекватного матем. описания процессов формированияи взаимодействия С. пикосекундного диапазона длительностей является нелинейноеур-ние Шрёдингера, к-рому удовлетворяет комплексная амплитуда поля 8048-21.jpg (см. Солитон). Огибающая солитонного импульса имеет вид 8048-22.jpg, где 8048-23.jpg- расстояние, нормированное на дисперсионную длину 8048-24.jpg- бегущее время, нормированное на нач. длительность импульса, и - групповаяскорость. Нелинейное ур-ние Шрёдингера принадлежит к классу интегрируемыхнелинейных ур-ний и решается обратной задачи, рассеяния методом. Еслимощность спектрально-ограниченного импульса превышает критическую, то егоасимптотич. поведение при 8048-25.jpgопределяется солитонной составляющей, амплитуда несолитонной части решенияубывает 8048-26.jpg

Важным классом аналитически вычисляемых решений нелинейного ур-ния Шрёдингераявляются N- солитонные импульсы, соответствующие нач. условиям вида 8048-27.jpg, где N - целое число. Они представляют собой нелинейную суперпозицию . движущихся с одинаковой скоростью солитонов с амплитудами qm= (2т -1), т= 1, 2, .... N. Важные особенности N-солитонныхимпульсов состоят в том, что их распространение начинается с самосжатия(рис. 1), а модуль комплексной амплитуды периодичен по 8048-28.jpgс периодом 8048-29.jpg

Закономерности формирования и распространения односолитонных и N-солитонныхимпульсов были подтверждены экспериментами Л. Молленауэра (L. Mollenauer),Р. X. Столена (R. H. Stolen) и В. Гордона (W. Gordon). В этих опытах спомощью тщательно сформированных пикосекундных импульсов синхронно накачиваемоголазера на центрах окраски (8048-30.jpg= 1,5 мкм; полная длительность импульса по полувысоте ~ 7 пкс;8048-31.jpgВт) удалось наблюдать односолитонные и N-солитонные импульсы для N8048-32.jpg4.Успешные эксперименты с С. стимулировали их применение в волоконно-оптич. <связи для сверхскоростной передачи информации, в технике формирования импульсовфемтосекундной длительности, в спектроскопии быстропротекающих процессови привели к созданию солитонных лазеров.

Теоретически и экспериментально исследовано влияние различных возмущающихфакторов (оптич. потери, дисперсия высших порядков, инерционность нелинейногоотклика, стохастич. возмущения формы входного импульса и параметров световода)на распространение пико- и фемтосекундных С. и на их взаимодействие. Показанавозможность компенсации оптич. потерь за счёт комбинац. усиления, что позволяетреализовать передачу С. на расстояния до 50 км.

Распространение мощных когерентных импульсов света в резонансно-поглощающихсредах (см. Самоиндуцированная прозрачность )также сопровождаетсясолитонными эффектами. Если длительность импульса t0 существенноменьше времён релаксации населённостей T1 и затуханиясвободной поляризации Т 2, то в результате поглощения в течение1-й половины импульса и последующего усиления в течение 2-й половины импульсаформируется стационарный волновой пакет, проникающий в среду на расстояние, <существенно превышающее длину линейного поглощения (см. также Двухуровневаясистема).

Матем. описание этого процесса основывается на системе ур-ний Максвелла- Блоха. Для спектрально-ограниченных импульсов осн. значение имеет площадь, <заключённая под огибающей:
8048-33.jpg

где 8048-34.jpg, d - дипольный момент резонансного перехода,8048-35.jpg- постоянная Планка. Импульсы с площадью 8048-36.jpgи огибающей 8048-37.jpgявляются устойчивыми. Групповая скорость распространения импульса . меньшескорости света. Характерное время задержки t з импульсана расстоянии L пропорционально коэф. линейного поглощения 8048-38.jpg:8048-39.jpg. Если площадь исходного импульса превышает 8048-40.jpgв . раз, то в процессе распространения он разбивается на последовательностьN импульсов с разл. длительностями, амплитудами и скоростями (рис. 2).

Солитонные эффекты проявляются при взаимодействии волновых пакетов сразл. несущими частотами в средах с квадратичной нелинейностью ( т. н. <параметрические С.). В этом случае стационарный импульс формируется в результатебаланса процессов энергообмена и расстройки групповых скоростей. Теоретическипоказана возможность формирования С. при вынужденном комбинац. рассеяниисвета (ВКР-солитоны) и в процессе вынужденного Мандельштама - Бриллюэнарассеяния, однако экспериментально они не наблюдались из-за ряда жёсткихтребований на параметры излучения и среды.
8048-41.jpg

Рис. 2. Разбиение 8048-42.jpg -импульсана три 8048-43.jpg -импульсапри резонансном самовоздействии.

Лит.: Теория солитонов. Метод обратной задачи, М., 1980; А лл е н Л., Э б е р л и Д ж., Оптический резонане и двухуровневые атомы, <пер. с англ., М., 1978; Ахманов С. А., В ы в л о у х В. А., Ч и р к и нА. С., Оптика фемтосекундных лазерных импульсов, М., 1988; Сухоруков А. <П., Нелинейные волновые взаимодействия в оптике и радиофизике, М., 1988. С. <А. Ахманов, В. А. Выслоух.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. . 1988.


.

Игры ⚽ Поможем решить контрольную работу

Полезное


Смотреть что такое "СОЛИТОНЫ" в других словарях:

  • Ленгмюровские солитоны — (кавитоны)  вид солитонов в плазме, представляющих собой устойчивые уединённые области локализации ленгмюровских волн, распространяющиеся в пространстве без изменений формы. Ленгмюровские солитоны играют существенную роль в теории… …   Википедия

  • Ионно-звуковые солитоны — Ионно звуковые солитоны  вид солитонов в плазме, представляющих собой устойчивые уединённые сжатия ионной плотности, распространяющиеся в пространстве без изменений формы. Содержание 1 Общие принципы 2 Одномерное приближение …   Википедия

  • Магнитозвуковые солитоны — Магнитозвуковые солитоны  вид солитонов в плазме, представляющих собой устойчивые уединённые сжатия ионной плотности, распространяющиеся в пространстве без изменений формы. Содержание 1 Общие принципы 2 Одномерное приближение …   Википедия

  • Солитон — График «тёмного солитона» Солитон  структурно устойчивая уединённая волна, распространяющаяся в нелинейной среде. Солитоны ведут себя подобно частицам (частицеподобная волна): при взаимодействии друг с …   Википедия

  • солитон — структурно устойчивая уединённая волна, распространяющаяся в нелинейной среде. Солитоны ведут себя подобно частицам (частицеподобная волна): при взаимодействии друг с другом или с некоторыми другими возмущениями они не разрушаются, а расходятся,… …   Энциклопедический словарь

  • СОЛИТОН — структурно устойчивая уединённая волна в нелинейной диспергирующей среде. С. ведут себя подобно ч цам: при вз ствии между собой или с нек рыми др. возмущениями С. не разрушаются, а расходятся вновь, сохраняя свою структуру неизменной. Структура С …   Физическая энциклопедия

  • СОЛИТОН — структурно устойчивая уединенная волна, распространяющаяся в нелинейной среде. Солитоны ведут себя подобно частицам (частицеподобная волна): при взаимодействии друг с другом или с некоторыми другими возмущениями они не разрушаются, а расходятся,… …   Большой Энциклопедический словарь

  • Борисов, Александр Борисович — В Википедии есть статьи о других людях с такой фамилией, см. Борисов. Александр Борисович Борисов Дата рождения: 2 августа 1947(1947 08 02) (65 лет) Место рождения: СССР Страна …   Википедия

  • ВТОРИЧНОЕ КВАНТОВАНИЕ — метод описания квант. систем, состоящих из большого числа тождеств. ч ц, в к ром роль независимых переменных волн. ф ции играют числа заполнения числа ч ц в индивидуальных состояниях отд. ч цы. Развит в 1927 англ. физиком П. Дираком для бозонов и …   Физическая энциклопедия

  • ПЛАЗМА — частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положит. и отрицат. зарядов практически одинаковы. При сильном нагревании любое в во испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать темп ру и дальше, резко усилится процесс термич.… …   Физическая энциклопедия


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»