宇称时间对称非线性超材料中的孤子动力学研究

Parity-time (PT) symmetric optics is the extension and development of PT symmetric quantum mechanics. PT symmetry theory provides a new way for overcoming the inherent loss of metamaterials and realizing the control of electromagnetic waves. PT symmetric metamaterials have rapidly become a hot topic in electromagnetics, optics and material science etc. In this project, based on the electromagnetic characteristics of PT symmetric nonlinear metamaterials, to begin with, we will derive a general theoretical model for the propagation of electromagnetic waves in PT symmetric nonlinear metamaterials. Then the PT symmetry breaking conditions in positive or negative refraction regimes of nonlinear metamaterials with different PT symmetric potentials will be further investigated analytically and numerically, and we will analyze the existences, stabilities and scattering properties of solitons. Our aims are to explore the formation physical mechanism and dynamic laws of solitons in PT symmetric nonlinear metamaterials, which will provide a theoretical basis for soliton generation in experiments in PT symmetric nonlinear metamaterials and provide references for developing a new generation of photonic devices in the future based on PT symmetric nonlinear metamaterials such as optical switch, optical isolation and optical storage and so on.

宇称时间(PT)对称光学是PT对称量子力学的深入和发展，PT对称理论为克服人工超材料的固有损耗和实现电磁波的调控提供了一种新途径，PT对称超材料迅速成为电磁学、光学和材料学等领域的研究热点。本项目基于PT对称非线性超材料的电磁特性，首先建立PT对称非线性超材料中电磁波传输的一般理论模型,然后解析和数值研究不同PT对称势下非线性超材料正/负折射区PT对称破缺的条件,分析孤子的存在性、稳定性和散射特性，探寻PT对称超材料中孤子形成的物理机制和动力学规律，为实验上在PT对称非线性超材料中产生孤子提供理论依据，为将来进一步发展基于PT对称超材料的新一代光子器件如光开关、光隔离和光存储等提供参考。

超材料因其不寻常的特性和潜在的应用前景近年来在电磁学、声学、光学、材料学等科学领域一直备受关注。超材料的发展为构造PT对称的复折射率分布提供了一种新思路，PT对称超材料已经成为新的研究前沿。. 本项目基于PT对称非线性超材料的电磁特性，结合超材料的色散介电常数和磁导率，建立了包含PT对称势的非线性超材料中电磁波传输的一般理论模型；基于该模型解析研究了不同PT对称超材料中可调控的带隙结构，采用傅里叶配置法和改进的平方算符法研究了超材料正、负折射区孤子的存在区间和稳定性特性。结果发现，与常规材料中带隙孤子不同的是，可调控的带隙结构直接影响正、负折射区孤子的存在区间和稳定性，而且在自聚焦和自散焦非线性超材料的正、负折射区孤子存在的稳定区截然不同。同时我们对非均匀介质中的光脉冲操控和微纳超材料中电磁波的吸收和偏振调控也做了探索性研究，取得了新的突破，这些研究无论对基于超材料的光通信和微纳超材料中电磁波的调控都具有重要意义，为相关理论和实验研究提供了坚实的基础。