實驗室訪談 - ç‰©ç†å­¸ç³»æš¨ç ”ç©¶æ‰€

傳 播 垂 直 於 波 前 ;( 二 ) 光 波 前 進 的 速 度 反 比 於折 射 率 ; 就 可 以 討 論 光 波 在 非 線 性 介 質 中 傳 播的 行 為 。這 方 面 的 研 究 起 始 於 1960 年 代 中 期 , 最早 的 研 究 是 Chiao 建 議 : 光 束 應 該 可 以 完 全 避免 繞 射 , 在 介 質 中 形 成 光 孤 子 (soliton)。 光 束在 自 由 空 間 傳 播 時 , 因 為 其 波 的 特 性 , 會 自 然的 繞 射 , 若 由 海 更 斯 原 理 來 解 釋 , 我 們 可 以 知道 , 這 道 光 束 的 波 前 一 定 是 中 間 部 分 凸 出 , 而光 束 的 能 量 由 中 間 向 旁 邊 擴 散 。 若 要 這 道 光 束不 產 生 繞 射 , 光 的 波 前 必 須 作 適 當 處 理 。 因 此“ 光 孤 子 ” 現 象 能 夠 成 立 的 前 提 是 , 光 傳 播 介 質對 光 強 的 反 應 必 須 是 非 線 性 , 且 光 越 強 的 地 方折 射 率 越 大 ( 稱 為 自 聚 焦 材 料 )。 折 射 率 較 大 的部 分 光 波 前 進 的 速 度 較 慢 , 光 波 的 波 前 因 而 改變 , 如 果 光 強 分 佈 “ 適 當 ”, 波 前 可 以 形 成 一 平面 , 根 據 海 更 斯 原 理 , 波 的 傳 播 是 垂 直 於 波前 , 如 此 這 光 孤 子 的 光 束 在 傳 播 時 , 就 可 完 全的 消 除 繞 射 。 但 是 當 光 強 分 佈 和 光 束 大 小 不 適當 時 , 這 光 束 就 會 繞 射 或 自 聚 焦 , 而 空 間 光 孤子 的 形 成 就 是 依 靠 自 聚 焦 和 繞 射 的 完 全 平衡 , 這 種 光 孤 子 又 稱 為 亮 孤 子 。另 一 個 和 空 間 光 孤 子 類 似 的 光 傳 播 行 為是 光 調 變 不 穩 定 性 , 它 所 須 要 的 條 件 和 亮 孤 子相 同 , 就 是 介 質 必 須 是 自 聚 焦 類 型 。 不 同 的是 , 光 孤 子 在 入 射 到 非 線 性 光 學 材 料 之 前 , 我們 必 須 將 其 光 束 大 小 依 光 的 強 度 作 調 整 , 使 自聚 焦 和 繞 射 之 間 可 以 完 全 平 衡 , 而 光 調 變 不 穩定 性 則 不 須 要 。 光 調 變 不 穩 定 性 可 以 從 平 面 波開 始 。 以 下 我 們 來 看 看 , 光 調 變 不 穩 定 性 如 何生 成 : 假 設 有 一 同 調 的 平 面 光 入 射 到 非 線 性 自聚 焦 材 料 , 因 任 何 的 光 都 會 帶 有 雜 訊 ( 這 雜 訊可 能 來 自 光 源 的 自 發 輻 射 , 光 在 空 間 行 進 時 受到 空 氣 中 微 粒 的 影 響 而 造 成 , 或 者 是 光 在 介 質中 傳 播 時 , 受 到 介 質 中 缺 陷 的 影 響 ), 光 在 進入 自 聚 焦 材 料 時 , 有 的 地 方 就 會 比 較 亮 , 有 的地 方 會 比 較 暗 , 雖 然 這 差 別 非 常 非 常 的 小 , 仍然 會 造 成 亮 的 地 方 折 射 率 稍 微 大 一 點 點 , 暗 的地 方 折 射 率 小 一 點 點 。 而 光 在 前 進 時 , 會 靠 近折 射 率 高 的 地 方 ( 就 像 波 導 , 光 纖 內 的 全 反 射一 樣 ), 如 此 下 去 , 亮 的 地 方 更 亮 , 折 射 率 又更 大 , 吸 引 更 多 的 光 。 所 以 即 使 一 開 始 光 強 度只 有 很 小 的 不 同 , 在 傳 播 一 段 距 離 後 , 光 強 的分 佈 就 會 有 很 不 一 樣 , 形 成 圖 案 , 這 樣 的 現 象就 稱 為 調 變 不 穩 定 性 。我 們 非 線 性 光 學 實 驗 室 的 同 學 們 , 在 過去 幾 年 的 努 力 下 , 對 這 個 領 域 有 了 一 些 貢 獻 。發 表 了 不 少 關 於 光 孤 子 和 調 變 不 穩 定 性 的 研究 , 也 得 到 一 些 肯 定 。 例 如 美 國 光 學 學 會 (OSA)每 年 會 挑 選 一 年 來 , 光 學 領 域 最 重 要 的 論 文 ,我 們 的 論 文 "Coherence Controlled SolitonInteraction" 就 獲 選 為 Optics in 2005 的 其 中 一篇 。 這 個 研 究 中 , 我 們 研 究 孤 子 之 間 的 交 互 作用 。 補 充 一 下 , 光 孤 子 交 互 作 用 的 機 制 已 相 當清 楚 —— 若 孤 子 之 間 的 相 對 相 位 同 相 , 便 會 互相 吸 引 ; 若 差 π , 便 會 相 互 排 斥 。 在 這 篇 研 究中 , 我 們 發 現 , 同 調 性 也 強 烈 影 響 光 孤 子 之 間的 交 互 作 用 , 當 光 由 同 調 轉 變 為 部 分 同 調 時 ,孤 子 之 間 的 交 互 作 用 會 由 相 吸 變 為 相 斥 , 或 由相 斥 變 為 相 吸 ; 由 此 提 供 了 一 種 新 的 法 門 , 控制 光 孤 子 。 這 裏 細 節 複 雜 , 就 不 詳 述 了 。 如 果同 學 對 光 學 有 興 趣 , 不 妨 到 光 學 實 驗 室 看 看 ,說 不 定 也 會 像 我 一 樣 走 , 走 上 光 學 研 究 的 路 。19