[論文レビュー] Optical Vortices and Vortex Solitons

Anton S. Desyatnikov, Lluís Torner+1 more|ArXiv.org|Jan 12, 2005

Nonlinear Photonic Systems参考文献 341被引用数 42

ひとこと要約

この論文は、非線形媒質における光の渦と渦ソリトンの包括的レビューを提供し、キアラ媒質、二次非線形性、部分的コherentlyな光、光格子を含むさまざまな系におけるその形成、安定性、ダイナミクスを分析している。主な貢献は、立方-五次および二次-立方非線形性、多成分結合、離散的格子効果を含む、元来不安定な渦ビームを安定化するメカニズムの体系的探求であり、非ゼロの角運動量を有する頑強な自己束縛渦状態の存在を可能にしている。

ABSTRACT

Optical vortices are phase singularities nested in electromagnetic waves that constitute a fascinating source of phenomena in the physics of light and display deep similarities to their close relatives, quantized vortices in superfluids and Bose-Einstein condensates. We present a brief overview of the major advances in the study of optical vortices in different types of nonlinear media, with emphasis on the properties of {\em vortex solitons}. Self-focusing nonlinearity leads, in general, to the azimuthal instability of a vortex-carrying beam, but it can also support novel types of stable or meta-stable self-trapped beams carrying nonzero angular momentum, such as ring-like solitons, necklace beams, and soliton clusters. We describe vortex solitons created by multi-component beams, by parametrically coupled beams in quadratic nonlinear media, and in partially incoherent light, as well as discrete vortex solitons in periodic photonic lattices.

研究の動機と目的

• 自己焦点化非線形性に起因する方位角不安定性が存在するにもかかわらず、非線形媒質内で光の渦と渦ソリトンがどのように安定化されるかの条件を理解すること。
• 特に自己焦点化と自己拡散の非線形性が、渦ビームの形成およびダイナミクスに与える影響を調査すること。
• 連続的および離散的系の両方において、環状ソリトン、ネックレスビーム、ソリトンクラスタなど、新たな自己束縛状態がどのように出現するかを調査すること。
• 超流動体およびボーズ＝アインシュタイン凝縮体における量子化渦と光の渦の類似性を検討し、クロスディシプリン的知見を強調すること。
• 軌道的角運動量状態を用いた光通信、粒子捕集、量子情報処理における応用可能性を特定すること。

提案手法

• キアラ型および二次非線形媒質における渦ビーム伝搬をモデル化するための非線形シュレーディンガー方程式（NLSE）および連立NLSEの分析。
• 方位角モード不安定性および渦ソリトン形成の条件を調査するための変分法および数値的手法の使用。
• 二次非線形媒質における多成分およびパラメトリックに結合されたビームの調査により、周波数倍算およびパラメトリック相互作用を介して渦ソリトンを生成する。
• 部分的コherentlyな光とその非コherently性に起因する安定化効果による、安定な渦構造の支持能力の検討。
• 二次元光格子における渦ソリトンをモデル化するための離散的非線形シュレーディンガー方程式（DNLS）の適用。
• 多色渦ソリトン系におけるソリトン代数および誘導的分裂メカニズムの探求により、安定性および対称性の破れを理解する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己焦点化非線形媒質において、元来不安定な渦ソリトンがどのようなメカニズムで安定化されるか？
• RQ2 二次非線形媒質における多成分およびパラメトリックに結合されたビームは、どのようにして渦ソリトンの形成を支援するか？
• RQ3 部分的非コherently性は、どのように光の渦の安定化に寄与するか？
• RQ4 二次元光格子において、離散的渦ソリトンがどのような条件下で出現するか？
• RQ5 非線形媒質における光の渦ソリトンは、超流動体および超低温原子ガスにおける量子化渦とどのように関係しているか？

主な発見

• 自己焦点化非線形性は通常、渦ビームに方位角モード不安定性を引き起こすが、立方-五次または二次-立方非線形項のような高次非線形性によって、安定な渦ソリトンが出現しうる。
• 環状ソリトンおよびネックレスビーム（方位角方向の強度調制を特徴とする）は、焦点化非線形媒質において安定な自己束縛状態として形成される。
• 部分的非コherentlyな光は、非コherently性に起因する不安定性抑制により、安定な渦ソリトンを支持する。これにより、頑強な渦形成が可能になる。
• 二次非線形媒質において、パラメトリックダウンコンersionを介して渦ソリトンが生成され、周波数倍算されたビームにおいては、渦ソリトンの族が観測された。
• 二次元光格子では、離散的渦ソリトンが存在し、格子の対称性と非線形性が、渦の安定性およびトポロジカル構造を共同で決定する。
• 多色渦ソリトンは複雑なダイナミクスを示し、自発的および誘導的分裂を経験するが、ソリトン代数はその安定性および崩壊経路を理解するためのフレームワークを提供する。