光学系统中的自组织结构

　　0　引　　言

　　最近,“光学自组织”一词常出现在一些文献中.它是指激光通过非线性光学介质后,光强形成的一种时空结构.光学系统中的自组织现象是发生在非线性光学领域内的一种特殊光学现象.通常当两激光束从介质两侧同时入射到非线性光学材料上时,它们会失去平移对称性,横向失稳形成各种空间花纹结构.在液晶、原子钠蒸汽和光折变晶体等非线性光学材料中[1,2,3],在远场可观察到锥形散射光、六角形光斑或旋转六角形光斑,甚至还有更复杂的时空混沌结构.似乎六角形结构是自然界最偏爱的一种结构形式.由于它在结构上的紧致性和性能上的稳定性,只要提供适当重配启动能,自然首先选择这种六角稳定结构.按照普利高津关于自组织的耗散结构理论,一个远离平衡态的开放系统,通过与外界交换能量、物质和信息,通常在满足驱动阈值条件下,系统获得负熵流,可向有序方向演化,形成非平衡态有序结构.当激光入射到非线性光学介质中,抽运激光一方面作为驱动外源与非线性光学介质发生作用,引起介质光学性质的变化,这种变化又导致了光波自身或光波之间的非线性耦合.同时,激光作为探测光,将这种自洽作用的成果呈现出来,形成可观察的光强空间结构.下面讨论发生在光折变晶体中的自组织结构,并由此引申到自然界有序结构的形成.

　　1　锥形和六角形散射光

　　当一束水平偏振的激光Ei沿晶体C轴垂直入射在光折变晶体KNbO3:Fe的情况下,经晶体后表面反射后形成背向反射光Eb.在前、后远场屏幕上,除了中心透射光斑外,同时还出现以中心斑为圆心的环形光,随后环形光又发展成六角形光斑,如图1所示.这种光斑的形成过程可说明如下[4]:首先入射光Ei与其背向反射光Eb相干,通过光折变效应,在晶体内写入φ=π/2的2k相位光栅(φ是相位光栅相对干涉条纹的空间相移),这是由于2k光栅的周期Λ很小,扩散是载流子输运的主要贡献者.通过光栅耦合,使光能流从入射光转移到反射光中,增强了反射光;同时入射光Ei与其前表面处的散射光以及背向反射光Eb与其在后表面处的散射光相干,各自也写入一群噪音栅,如图2所示.写入的噪音栅可能是局域性的,即φ= 0.因为对于这种噪音栅,扩散贡献小,而横向光生伏打电流的贡献可能是重要的.对于这种非相移光栅,虽不发生光能流直接从入射光向散射光转移,但可以通过高阶衍射前向三波作用加强散射光[5].这种放大过程实际上是通过形成彼此空间相移为π/2的共享光栅 (如K1和K2)而实现的,其波矢失配ΔK还可由局域响应(φ= 0)的相位耦合得到补偿(图 2).由K1+ΔK=K2,当抽运光Ei在非布喇格条件下读K1光栅时,其衍射光与沿k2方向的散射光相干,使其放大;当Ei在非布喇格条件下读光栅K2时,其衍射光与沿k1方向的散射光相干,使其放大.同时背向反射光Eb与它的散射光也发生同样的上述过程.然而入射光Ei 与背向反射光Eb相互擦洗对方的噪音栅,使其减弱.不过在互擦洗过程中,属于双方共有的光栅,不但不会被对方擦洗掉,反而会加强保存下来,形成互依共存的共享光栅,如图2中的 K1和K2.对于一定的失配波矢ΔK,共享光栅也将被唯一确定.这组共享光栅将导致前、后两个方向形成锥形散射光,锥轴沿ki-kb,锥角θ由ΔK的大小决定,即ΔK≈kθ2.形成一定锥角的锥形光并不是相互作用的最终结局.锥形散射光束中的各个空间成分也彼此相干并写入弱的第二类光栅(我们把由抽运光和反射光与其散射光写入的光栅称第一类光栅,以示区别),如图3所示.kn和km方向的散射光写入光栅波矢为Knm=kn-km的第二类光栅,如果 Knm = KI (KI为第一类光栅波矢),那么从图4的几何关系上看,将有三组第二类弱光栅 (KII)与第一类光栅(KI)形成共享光栅(KII=KI).它们彼此形成120°阵列.共享光栅在K 空间形成的这种六角形分布,将更有利于光能流从中心抽运光向六角端处的散射光转移,使其加强,形成远场屏上的六角形光斑.又由于形成六角形共享光栅的瞬态位置未加限定,因此在一定扰动下,可导致旋转六角光斑.从统计平均效果上看,屏幕上的环形光可看作是六角共享光栅的随机分布的平均衍射效果.