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。

基于描述超材料中超短脉冲传输的高阶非线性薛定谔方程,采用行波法得到一种精确的飞秒准亮孤子解及其存在条件。研究发现,在群速度色散、三阶色散、三次-五次非线性、自陡峭和二阶非线性色散效应的精确平衡下,超材料中可存在该飞秒准孤子;当三阶色散和二阶非线性色散不存在时,该准孤子无法存在。基于Drude模型,详细讨论了不同非线性超材料中该飞秒准亮孤子存在的不同折射区域。结果表明,该飞秒准孤子可存在于自散焦非线性超材料的负折射区和自聚焦非线性超材料的正折射区,而且在不同区域具有不同的脉冲强度和宽度。这意味着,通过选择不同非线性超材料和输入电磁波的频率,使其位于相应的存在区域,可以实现对孤子特性的调控。

在非线性自散焦LiNbO3∶Fe晶体中, 实验观察了用激光作光源和用白光作光源两种情况下所产生的调制不稳定性, 并从三个方面对这两种情况进行了比较。实验结果表明: 在两种情况下, 达到稳定状态前, MI现象都会随辐照时间的增加而变得越来越清晰, 并且MI图样都会随着入射光束形状的变化而变化。不同的是, 用白光作光源时, 灯丝长度方向与晶体c轴方向的夹角大于等于45°时出现MI, 而用激光作光源时, 入射光束方向与c轴方向的夹角不大于45°才出现MI。

介绍了CdxZn1-xSe量子点的制备方法、形貌、组成以及表征, 并对其非线性光学进行了研究。结果表明, CdxZn1-xSe量子点呈现自散焦特性, 具有良好的非线性性能, 尤其, 其光学非线性参数可通过化学组成进行调节。因此, CdxZn1-xSe量子点在激光防护、光电开关等方面具有重要的潜在应用价值。

在LiNbO3∶Fe晶体中实验观察了由内在噪音引起的调制不稳定性和加入振幅掩模后产生的调制不稳定性,并对二者进行了比较。在使用振幅掩模时,根据晶体c轴方向与振幅掩模所带周期格子暗斑主轴方向的关系,分两种配置进行了观察比较,第一种配置是二者平行,第二种配置是二者成45°夹角。实验结果表明,掩模的加入加快了调制不稳定性的出现,但在第二种配置下产生的调制不稳定性对晶体内已形成的光子晶格的影响较小,并且这些周期性的光子晶格反过来对调制不稳定性的进一步发展有很好地抑制作用。由于光孤子有很高的应用价值,而调制不稳定性被看作是光孤子形成的预兆,所以研究它具有广泛的应用前景。

关于自散焦介质光束的诱导聚焦问题，二维理论模型与三维体材料中的实验结果只能定性而不能定量地吻合。只有三维理论模型才能定量地描述体材料中的 实验现象，但这样的结果至今没有报道。讨论了三维空间中具有一定夹角的双光束传输问题，严格推导出这种情形下的光束耦合传输方程，并且证明了 对小夹角双光束传输过程的描述，可以通过具有对横向空间坐标线性“啁啾”相位的初始条件和平行双光束非线性薛定谔耦合方程构成的Cauchy(初值)问题 来实现。三维理论模型的数值模拟结果和Stentz的实验结果定量地吻合。

A spatial optical switch phenomenon caused by the induced focusing of a weak probe beam occurring in self-defocusing nonlinear media is discussed theoretically. A weak beam is induced to focus when it copropagates with an intense pump beam under the conditions that the probe and pump beams peak at different positions and propagate in different directions. Due to the effect of cross-phase modulation, the weak beam can not only be focused but also be deflected. The phenomenon is discussed by numerically solving the coupled amplitude equations.

基于扩展的非线性薛定谔方程及与其耦合的电子密度演化方程, 理论研究了超短激光强脉冲在水中的非线性传输特性。理论模型综合考虑了衍射、正常群速度色散, 多光子吸收、自聚焦及激光诱导产生的等离子体对光脉冲的自散焦效应。采用有限差分法模拟得到超短脉冲在传输过程中轴向上光功率密度和等离子体密度的时空分布。系统分析了超短脉冲在水中传输的动力学过程, 讨论了非线性自聚焦和等离子体自散焦效应在脉冲传输过程中的竞争关系。同时研究了不同入射激光能量, 脉宽和聚焦条件对等离子体丝的时空结构和脉冲能流横向分布的影响。该研究将有助于理解和推动超短光脉冲在激光医学、激光安全防护和水中激光加工中的应用。

自散焦介质中的光束聚焦是通过交叉相位调制效应，强抽运光束诱导弱光束聚焦。自Agrawal发现这一现象以来，许多学者做了广泛的研究。通过推导1+1维自散焦介质中斜入射光束的传输方程，并应用数值计算斜入射角度对弱光束聚焦的影响，得到了入射角度的最佳值(σ=0时，光束最大压缩2．23倍；σ=4．07光束最大压缩2．62倍)。此结果是对自散焦介质中的光束聚焦理论的补充，对利用此现象进行光束压缩实验的实验设计有一定的参考价值。

对铌酸锂晶体进行了三阶非线性折射系数测量的Z扫描实验和光折变非线性系数测量的时间扫描实验。为了分析时间分辨扫描曲线的特点，基于非线性介质中光折变非线性与三阶非线性光学效应的耦合作用，引入非线性折射率随时间变化的表达式，分析了空间亮孤子的形成过程，进而揭示了其在一定条件下从自散焦到自聚焦转换的动态行为的物理机制，得到了与实验现象相一致的结论，并说明了自聚焦光折变晶体中可能存在稳定的暗空间孤子。