空间光孤子是介质衍射效应和非线性效应相平衡的结果。当两束非相干光在非线性介质中传输时, 两孤子发生交叠而产生相互作用, 本文研究自散焦介质中非相干耦合暗孤子对的传输特性和相互作用。基于描述光束传播的耦合非线性薛定谔方程组, 利用变分法, 首先得到了自散焦克尔介质中传输的两暗孤子的幅值、横向中心位置坐标、速度和相位随传输距离变化的参数演化方程组, 讨论了孤子参数演化的规律。然后, 为分析孤子间相互作用, 导出了两幅值相等的暗孤子在传输过程中孤子间距随传输距离的变化规律, 作出了孤子对传输图像和相互作用图像, 最后导出了孤子间相互作用势能和相互作用力的表达式, 并利用图像详细分析了孤子间的相互作用特性。研究结果表明: 无损耗情况下, 孤子的幅值不受耦合作用的影响, 传输过程中保持不变; 耦合相互作用使两孤子横向中心位置坐标发生明显漂移, 当两孤子间距较小时, 孤子间距随传输距离作变速变化, 变化速率与孤子的幅值和耦合程度有关, 当两孤子间距趋近于零时, 孤子间距随传输距离呈匀速的稳定变化; 暗孤子间的相互作用力为排斥力, 随着孤子间距增大, 排斥力先增大后减小, 而相互作用势能一直逐渐减小, 当孤子间距增至4.5附近时, 孤子间势能减小到几乎为零。

基于包含四波混频效应的耦合非线性薛定谔方程,采用Hirota双线性方法得到了其4-暗孤子解,并数值研究了其传输特性。结果表明:通过调控参数,可以分别获得4-暗孤子、3-暗孤子及暗孤子-反暗孤子组合,但孤子间的相互作用依然是弹性碰撞。

研究了带有变系数的N阶耦合非线性薛定谔方程,获得了其3-孤子解,并通过渐近分析和图像分析研究了孤子的相互作用。结果表明,当本征值不同时, 3-孤子解分别为常规孤子、束缚态孤子以及常规孤子和束缚态孤子的组合;当满足特定条件时,常规亮孤子和束缚态亮孤子可实现弹性相互作用,也可实现非弹性相互作用,而暗孤子仅存在非弹性相互作用;对于常规孤子和束缚态孤子的组合,亮孤子分量的相互作用规律较为复杂,受参数取值影响较大,但暗孤子分量依然保持弹性相互作用。

采用Hirota方法研究了描述超材料中电磁波传输的非线性薛定谔方程,解析得到了线性增益和非线性吸收平衡下两个精确的空间啁啾暗孤子解:暗孤子I(DSI)和暗孤子II(DSII)。基于Drude模型,研究了DSI和DSII在不同电和/或磁极化非线性超材料中的形成条件、存在区域和传输特性,并进行了数值验证。研究发现:存在于负折射区的DSI,传输过程中速度逐渐增加,而存在于正折射区的DSII,传输过程中速度逐渐减慢;DSI具有正的啁啾,而DSII具有负啁啾;DSII的波束宽度远小于DSI的波束宽度;DSI和DSII的背景幅度和半峰全宽由其系统模型的参数决定,因此与入射波的频率直接相关,在每种非线性情况下DSI和DSII的传输特性都不同。这些研究结果表明,通过选择不同的非线性超材料和入射电磁波频率可以控制啁啾暗孤子的传输特性。

在非均匀光纤中,基于带有分布色散,自相位调制和自陡峭的变系数修正非线性薛定谔方程(Vc-MNLSE)及其两种暗孤子解,详细讨论了不同形式的拉曼增益对暗孤子解传输特性的影响。结果表明:周期的正弦函数拉曼增益会使两种暗孤子解的背景波产生周期性振荡,并且振荡周期和幅度均随正弦函数的参数变化而变化;双曲正弦函数和指数函数的拉曼增益将会使两种暗孤子解的背景波功率升高;正切函数的拉曼增益会使两种暗孤子解的背景波产生阶跃性变化,且周期振荡暗孤子解会在传输过程中发生分裂。

基于简化的光纤激光器模型,采用分步傅里叶方法,数值研究亮暗孤子对在光纤激光器中的传输特性。研究结果表明,在光纤激光器中,亮暗孤子对是否稳定存在与群速度色散有关,亮暗孤子对在零色散区可以保持波形不变的稳定传输。同时亮暗孤子对受光纤激光器的小信号增益系数、饱和能量、初始脉宽、偏振角度等因素的影响。小信号增益系数越大,饱和能量越大,则亮暗孤子对的峰值强度越大,脉宽越窄。当峰值强度增加到一定程度,亮暗孤子对发生分裂。偏振控制器可以控制亮暗孤子对的输出。本研究结果可为光纤激光器中亮暗孤子对信号源的产生研究提供一定的理论依据。

数值研究了实部具有缺陷的parity-time(PT)对称光晶格中的缺陷暗孤子。 当衍射与自散焦非线性效应 平衡时,暗孤子能够被获得;当自散焦介质中的PT对称光晶格实部被附加一个缺陷后,缺陷暗孤子也能够被获得。数值结果显示：缺陷暗孤子可以在很大参数范围内存在并能稳定传 播;PT对称光晶格实部附加的缺陷强度有一最大值,超过此值缺陷暗孤子不存 在;PT对称光晶格的虚部振幅对缺陷暗孤子的稳定性有影响。

研究了电磁感应透明介质中高阶非线性效应对光孤子传输的影响。采用半经典理论获得介质对光场的线性和非线性响应，基于介质特性利用波动理论推演出三-五阶非线性薛定谔方程。介质的线性非线性特性分别决定了群速度色散参量，三阶和五阶非线性系数。研究结果表明，该非线性介质既可以诱导亮孤子也可以诱导暗孤子，取决于群速度色散参量和三阶非线性系数。当前者为负同时后者为正时产生亮孤子，当两者均为负时产生暗孤子，二者可以通过载频与相应跃迁能级失谐的调节获得。与普通非线性薛定谔方程相比，三-五阶非线性薛定谔方程对亮孤子和暗孤子出现的参数和输入条件更加严格。

为了得到闭路光折变有机聚合物中存在非相干耦合亮暗光伏空间孤子对，采用数值模拟的方法，对稳态情况下两束互不相干的光束，在闭路光伏光折变有机聚合物中的传播进行了研究。结果表明，具有相同偏振和相同波长的两束互不相干的光束，可在光伏光折变有机聚合物中形成非相干耦合亮暗光伏孤子对。在给定适当参量或扰动不太大的情况下，孤子对中的亮孤子和暗孤子都能在光伏光折变有机聚合物中稳定传播。研究结果可为光折变有机聚合物空间孤子理论的发展提供理论依据。

基于描述超短脉冲在超常介质中传输的非线性薛定谔方程,本文数值研究了高阶效应影响下高阶亮、暗孤子在超常介质中的传输情况。数值模拟表明,三阶色散和自陡峭效应都会引起高阶孤子的分裂和辐射,破坏高阶亮孤子周期性演化特性,导致高阶暗孤子分裂出的灰孤子不对称;孤子的阶数越高,三阶色散和自陡峭的影响越大。利用超常介质可控的色散和非线性特性,通过调节三阶色散和自陡峭效应的系数,发现超常介质中可以基本支持二阶亮孤子、二阶暗孤子和三阶暗孤子的稳定演化。本文的研究结果为将来进一步研究超常介质中高阶亮、暗孤子的存在及传输特性提供了一定的参考价值。