[논문 리뷰] Optical Vortices and Vortex Solitons

Anton S. Desyatnikov, Lluís Torner외 1명|ArXiv.org|2005. 01. 12.

Nonlinear Photonic Systems참고 문헌 341인용 수 42

한 줄 요약

이 논문은 비선형 매질 내에서 광학적 소용권과 소용권 솔리톤에 대한 종합적인 리뷰를 제공하며, 카르 매질, 이차 비선형성, 부분적으로 비코herent한 빛, 광학 격자 등을 포함한 다양한 시스템에서 그 형성, 안정성, 동역학을 분석한다. 주요 기여는 기존에 불안정한 것으로 간주되던 소용권 빛의 안정화 메커니즘에 대한 체계적 탐구로, 삼차-오차비선형성 및 이차-삼차비선형성, 다성분 결합, 이산 격자 효과 등을 포함하여 비틀림 운동량을 가진 강력한 자가완충 소용권 상태의 존재를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 자기수축 비선형성으로 인해 발생하는 축방향 불안정성에도 불구하고, 비선형 매질 내에서 광학적 소용권과 소용권 솔리톤이 안정화되는 조건을 이해하는 것.
• 특히 자기수축과 자기산산화 작용이 소용권 빛의 형성과 동역학에 미치는 영향을 탐구하는 것.
• 연속체 및 이산체 시스템에서 새로운 자가완충 상태인 고리형 솔리톤, 목걸이형 빛, 솔리톤 군집의 발생을 조사하는 것.
• 초유체 및 보즈아인슈타인 응축체 내 양자화된 소용권과 광학적 소용권 간의 유사성을 고찰하여 다학제적 통찰을 제공하는 것.
• 궤도 각운동량 상태를 활용한 광통신, 입자 포획, 양자정보 처리 분야의 잠재적 응용을 규명하는 것.

제안 방법

• 카르형 및 이차 비선형 매질 내 소용권 빛의 전파를 모델링하기 위해 비선형 슈뢰딩거 방정식(NLSE)과 연립 NLSE를 분석하는 것.
• 축방향 모듈레이션 불안정성과 소용권 솔리톤 형성 조건을 연구하기 위해 변분 및 수치적 방법을 사용하는 것.
• 이차 비선형 매질 내 다성분 및 매개변수 결합 빛을 조사하여 주파수 제곱화 및 매개변수 상호작용를 통해 소용권 솔리톤을 생성하는 것.
• 부분적으로 비코herent한 빛과 그가 비코herent성 유도 안정성으로 인해 안정된 소용권 구조를 지탱할 수 있는 능력을 연구하는 것.
• 이산 비선형 슈뢰딩거 방정식(DNLS)을 사용하여 이중차원 광학 격자 내 소용권 솔리톤을 모델링하는 것.
• 다색 소용권 솔리톤 시스템 내에서 솔리톤 대수학과 유도 분열 메커니즘을 탐구하여 안정성과 대칭성 붕괴를 이해하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기수축 비선형 매질 내에서 기존에 불안정한 것으로 간주되던 소용권 솔리톤이 어떤 메커니즘으로 안정화되는가?
• RQ2 이차 비선형 매질 내 다성분 및 매개변수 결합 빛은 소용권 솔리톤 형성에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 부분적 비코herent성이 광학적 소용권의 안정성에 어떤 방식으로 기여하는가?
• RQ4 이중차원 광학 격자 내에서 이산 소용권 솔리톤이 형성되는 조건은 무엇인가?
• RQ5 비선형 매질 내 광학적 소용권 솔리톤은 초유체 및 초냉각 원자 기체 내 양자화된 소용권과 어떻게 관련이 있는가?

주요 결과

• 자기수축 비선형성은 일반적으로 소용권 빛에 축방향 모듈레이션 불안정성을 유도하지만, 삼차-오차비선형성 또는 이차-삼차비선형성과 같은 고차 비선형성에 의해 안정된 소용권 솔리톤이 형성될 수 있다.
• 고리형 솔리톤과 목걸이형 빛은 축방향 강도 조절을 특징으로 하며, 수축 비선형 매질 내에서 안정된 자가완충 상태로 존재할 수 있다.
• 부분적으로 비코herent한 빛은 비코herent성 유도 불안정성 억제로 인해 안정된 소용권 솔리톤을 지지할 수 있으며, 이는 강력한 소용권 형성 가능성을 제공한다.
• 이차 비선형 매질 내에서 소용권 솔리톤은 매개변수 하강 변환을 통해 생성되며, 주파수 제곱화된 빛 내에서 소용권 솔리톤의 가족이 관측되었다.
• 이중차원 광학 격자 내에서 이산 소용권 솔리톤은 격자 대칭성과 비선형성의 상호작용에 의해 안정성과 위상적 구조가 결정된다.
• 다색 소용권 솔리톤은 복잡한 동역학을 보이며, 자발적 및 유도 분열이 발생하며, 솔리톤 대수학은 그 안정성과 붕괴 경로를 이해하는 데 틀을 제공한다.