物理科学

灯光的伎俩:发现深色和抗暗明亮的孤子

光有许多令人难以置信的属性。它们的范围从其奇怪的行为,作为波浪或粒子,以证明可以用激光和光学技术利用的令人难以置信的非线性效应。其中一种特性是当它们通过光纤这样的材料时光波形成孤子的能力。当所有不同颜色的光线行驶为单个波形时,孤子或孤独的波浪发生。在新加坡南阳科技大学丁园唐教授一直在使用光纤激光器,首次看不寻常的载体孤子的实验证据。

我们都熟悉电子领域。我们在我们的计算机,家用电器和手机中有电子产品。电子设备是关于使用半导体或开关等技术来控制电子流的技术。一旦我们可以控制流量并关闭它们,就可以创建更复杂的系统和逻辑电路,这些系统和逻辑电路可以导致高度复杂的电子设备。

在电子电路中使用的电子电路中使用的方式,可以使用称为光子的光或光能的透光或分组。该领域被称为光子学,并且在其心脏是创建技术以控制光子的行为,以产生类似于其电子对应物的光子器件。

Cylill Hou / Shutterstock.com

一个熟悉的光子技术实例是光纤。大多数具有快速互联网连接的家庭依赖于二氧化硅玻璃纤维的束,其沿其长度沿着它们的长度沿着灯光呈现出来的信息。光纤在传统导电铜线上的优点是发送的信息可以在光速下完全行进。

通过对光纤设计的一些修改,光纤可用于以不同方式控制和形状。南洋科技大学鼎源唐教授和他的合作者一直在使用纤维技术来构建新型激光器,以研究一些灯光在通过不同媒体时如何表现的基本物理学。

一段棘手的通道
当我们看到白光时,我们看不到的是所有不同颜色的光线,即结合它的白色外观。在1666年的着名实验中,Isaac牛顿表明,棱镜可用于分离白光的所有不同分量颜色,以使我们经常呼唤彩虹的颜色。

在他着名的实验中,ISAAC牛顿展示了棱镜可以用来将白光分成其所有不同的分量颜色。osweetnature / shutterstock.com.

棱镜实验有效,因为当处于棱镜时,光的每个波长在不同的速度下行进。这改变了折射角,所以蓝光,在棱镜中最大减慢,由最大角度弯曲。对红光相反。这种效果称为分散,并且在任何介质中发生,包括光纤。如果我们想到进入纤维的单个光脉冲的强度分布,这可能看起来像一个狭窄的峰值山;如果在光纤中有大量的分散,则光脉冲将退出看起来像更广泛的更平坦的山坡。

在电子电路中使用的电子电路中使用的方式,可以使用称为光子的光或光能的透光或分组。

控制由光纤引起的色散程度是控制光脉冲的一种方式,但是存在另一种效果以抗衡,这在使用像激光器如激光源时特别重要。这是光学克尔效应。由于光是电磁波,但是每当它进入像棱镜的介质时,进入光束的振荡电场都会改变介质的折射率。这反过来改变了材料使光发生的分散量并且是称为自相调制的非线性效果的示例。

唐教授被这些分散和非线性效应完全平衡的政权着迷。通常,随着光通过长纤维的光线,分散效果导致各个波长以不同地行进,改变光脉冲的形状。这些波长中的每一个也将经历与电场的强度有关的自相调制程度。

Dark Soliton.Alessio Damato / Wiki / CC By-SA的动力形状

然而,在通过自相调制引起的改变补偿材料的诸如固有的分散量的制度中,光脉冲可以通过纤维完全不变,形状和形式完全不变 - 这被称为孤子。其他类型的波浪,例如河流上的潮汐波,也可以形成具有正确的地理和波速的孤子。

激光脉冲整形
唐博士的兴趣已经在发现纤维系统中观察孤子的实验方法。基于复杂的非线性方程的理论预测了这种孤子及其行为,但孤子的实验验证及其不同类型已经证明了具有挑战性。

Tang Prog Prog搜索Solitons的搜索专注于使用单模光纤。这些是专门设计的光纤,只允许光线的单一模式或图案。光图案取决于电场如何相对于其行进方向振荡,并且单个光脉冲可以包含许多不同的模式。使用单模光纤将其限制为只有一种模式,称为横向模式。

沿相干交叉偏振耦合条件下光的两个正交偏振方向的激光排放。上迹:黑暗孤子排放。底部迹线:明亮的孤子排放。

除了控制模式,也可以调整光纤施加的色散类型。纤维可以设计成施加正常或异常的分散体,其影响光脉冲的形状不同,并且又导致形成不同类型的孤子。在异常的分散纤维中形成明亮的孤子,而暗孤子形成为正常分散材料。

唐教授和他的团队显着成就是了解用于模拟孤子形成的非线性方程的准确性的重要一步。

极化精度
还有一种影响所形成的孤子类型的光,这是极化。对于由所用的单模光纤生产的横波的横波,光的偏振是指振荡电场的相对方向和波的行进方向。

除了分散之外,这些纤维还具有少量的双折射,其引起光的偏振的变化。这允许形成不仅仅是正常孤子,而是孤立的孤子,在不仅是光脉冲的整个形状,在通过光纤上保持其形状,而且还保持光的偏振分量。

不相停交叉偏振耦合条件下沿两个正交偏振方向的激光排放。上迹:黑暗孤子排放。底部迹线:明亮的孤子排放。

为了控制光脉冲所需的所有这些方面,所需的唐和他的团队设计和构建一个非常具体的光纤激光器,可以在正常或异常的分散状态下使用,以非常仔细地控制双折射量。

通过这样做,该团队可以同时形成深色或抗暗明亮的矢量孤子,首次在其理论预测后首次观察到18年前。它们还能够看到深色暗(与单暗孤子)或亮亮粒子可以形成在双折射介质中,表明由于光场的交叉极化而形成这种耦合孤子。

唐教授和他的团队显着成就是了解用于模拟孤子形成的非线性方程的准确性的重要一步。通过验证这些预测,他们已经表明,这些非线性模型可用于后续光纤设计,成为光纤激光器或光通信,对光子技术反应开辟了新的可能性。

科学照片/ shutterstock.com

个人反应

开发光纤激光最具挑战性的部分是什么?

光纤激光器是用于研究光学孤子的优异实验测试。根据纤维腔设计和激光操作条件,可以揭示不同形式的光学孤子。为了在光纤激光器中实现深色或抗暗明亮的矢量孤子,关键是仔细设计和构造激光,使得净腔色散和双折射可以同时调谐靠近零。作为在激光器中循环的光的交叉偏振耦合的结果形成载体孤子。

此功能文章是通过批准的研究团队特色而创建的。这是一个协作的生产,由特色辅助,全球分销提供支持。

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