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孤子研究进展

湖南科技大学

毕业设计（论文）

题目

孤子研究进展

作者

学院

物理与电子科学学院

专业

物理学

学号

指导教师

二〇一三年5月10日

湖南科技大学

毕业设计（论文）任务书

物理与电子科学院物理系（教研室）

系（教研室）主任:

（签名）年月日

学生姓名:

学号:

专业:

物理学

1设计（论文）题目及专题：

孤子研究进展

2学生设计（论文）时间：

自2012年12月1日开始至2013年5月26日止

3设计（论文）所用资源和参考资料：

【1】教育部师范教育司组织编写《20世纪物理学概观》，上海：

上海科学出版社，1999。

【2】陈陆军，梁昌洪《孤子理论及其应用》。

西安：

西安电子科技大学出版社。

1997。

【3】黄景宁，徐济重等《孤子概念·原理和应用》。

北京：

高等教育出版社。

2004.

【4】王博，李利平《光孤子通信技术及前景展望》。

科技信息。

2010。

【5】江兴《新型半导体激光器》。

半导体信息。

2008。

【6】张冰志，崔虎，佘卫龙《光折变空间孤子研究进展》。

物理2008。

【7】谷超豪《非线性现象的个性与共性》科学（44卷）。

1992。

4设计（论文）应完成的主要内容：

（1）介绍什么是孤子，孤子问题的起源和特点

（2）介绍孤子在几个重要领域发展历程

（3）目前孤子的应用现状

（4）孤子未来应用展望

5提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求：

[1]查阅资料，撰写8000字以上理论推导性论文，

[2]要求查阅参考文献15篇以上，

[3]推导严密,结构严谨,语句通畅，用词准确，图表清晰，并于5月底上交论文

6发题时间：

2012年12月1日

指导教师：

（签名）

学生：

（签名）

湖南科技大学

毕业设计（论文）指导人评语

[主要对学生毕业设计（论文）的工作态度，研究内容与方法，工作量，文献应用，创新性，实用性，科学性，文本（图纸）规范程度，存在的不足等进行综合评价]

杨军的毕业论文介绍了孤子的研究发展历程，详细阐述了孤子研究几个重要领域的发展以及在光纤通信，导电塑料，电磁导弹，激光等方面的应用。

文章最后对孤子的未来进行了大胆展望。

杨军在论文写作过程中，态度认真，文献材料收集详实，充分调研了国内外研究现状，基本完成了论文的主体工作，达到了论文开题报告提出的基本要求。

对论文所涉及的技术原理的叙述基本正确。

论文格式正确，书写规范，条理清晰，语言流畅。

杨军严格按照论文写作要求以及进度完成了论文的撰写，论文达到了学士学位论文标准，是一篇合格的毕业论文。

指导人：

（签名）

年月日

指导人评定成绩：

中

湖南科技大学

毕业设计（论文）评阅人评语

[主要对学生毕业设计（论文）的文本格式、图纸规范程度，工作量，研究内容与方法，实用性与科学性，结论和存在的不足等进行综合评价]

评阅人：

（签名）

年月日

评阅人评定成绩：

湖南科技大学

毕业设计（论文）答辩记录

日期：

学生：

学号：

班级：

题目：

提交毕业设计（论文）答辩委员会下列材料：

1设计（论文）说明书共页

2设计（论文）图纸共页

3指导人、评阅人评语共页

毕业设计（论文）答辩委员会评语：

[主要对学生毕业设计（论文）的研究思路，设计（论文）质量，文本图纸规范程度和对设计（论文）的介绍，回答问题情况等进行综合评价]

答辩委员会主任：

（签名）

委员：

（签名）

（签名）

（签名）

（签名）

答辩成绩：

总评成绩：

摘要

本文阐述了什么是孤子，以及其起源。

主要介绍孤子在几个重要领域的研究发展历程，列举了几个典型例子加深对孤子研究发展的认识。

例如孤子研究在光纤通信中的发展，孤子研究在生命体过程中的发展，孤子研究在折变空间的发展等。

另外详细列举了孤子目前的应用状况，主要的应用有光纤通信，导电塑料，电磁导弹，激光等。

除此之外孤子的应用之广泛，在物理，化学，生物，数学等领域都有极大地应用。

文章最后对孤子的未来进行了大胆展望。

关键词：

孤子，光纤通信，导电塑料，电磁导弹，半导体激光器，激光。

ABSTRACT

Thisthesisintroducestheoriginofthesolitontheory.Mainlyintroducedtheresearchanddevelopmentcourseaboutsolitoninseveralimportantareas,thenenumeratesseveraltypicalexamplestodeepentheunderstandingofsolitonresearchanddevelopment.Suchastheresearchanddevelopmentofsolitonintheopticalfibercommunication.suchastheresearchanddevelopmentofsolitoninlivingprocess.suchastheresearchanddevelopmentofsolitoninphysicalspaceandsoon.Alsodetailedtheapplicationsituationofthesoliton,mainapplicationsofopticalfibercommunication,conductiveplastic,electromagneticmissile,laser,andsoon.Besidessolitoniswidelyappliedinphysics,chemistry,biology,mathematicsandotherfields.Finally,theoutlookofitsfutureapplication.

Keywords：

soliton;Opticalfibercommunication；Conductiveplastic;Theelectromagneticmissile;Semiconductorlaser;Thelaser;

第一章前言...............................................................................................................-1-

第二章孤子...............................................................................................................-3-

第三章孤子研究在几个重要领域的发展历程.............................................-5-

3.1孤子研究在纤通信中的发展.......................................................................-5-

3.2孤子研究在生命体过程中的发展...............................................................-5-

3.3孤子研究在折变空间的发展.......................................................................-6-

3.4孤子研究在新型半导体激光器中的发展...................................................-6-

第四章孤子的应用现状.......................................................................................-8-

4.1光孤子通信...................................................................................................-8-

4.2导电塑料.......................................................................................................-9-

4.3电磁导弹.......................................................................................................-10-

4.4激光...............................................................................................................-10-

第五章结语...............................................................................................................-12-

参考文献...........................................................................................................................-14-

致谢...........................................................................................................................-15-

第一章前言

一个新科学问题的发现往往需要科学家具备敏锐的眼光，超强的洞察能力，以及天马行空的科学思维。

万有引力引力的发现显然就是因为牛顿超乎常人的洞察力以及实验能力，阿基米德在浴缸里发现浮力定律显然是因为他具备了洞悉世事的能力。

历史上很多科学问题的发现都具有类似之处。

孤子的发现也沿着同样的历史道路，孤子堪称十九世纪最伟大的发现之一，它丰富了非线性科学。

半个世纪以来，孤子在各个领域的应用为人类带去了福音。

人类应该向伟大的罗素致敬，正是由于他的善于观察、细致入微、大胆追求、找到了孤子这个一直隐藏的迷。

科学的探索是一个艰难的过程，需要非常人的毅力，要敢于面对质疑。

在当时那个年代，局限于科学水平，罗素也没办法清楚的向世人解释孤子的奥秘。

既然是新的理论或多或少都能引起世人的关注，孤子理论开始慢慢的发展，直到二十世纪六十年代，孤子才突破了科学水平的束缚，迎来了发展的高峰。

此后孤子的的支脉已经伸进各个领域。

当孤子理论提出的那天，孤子便有其独特的性质。

孤子也叫孤立子，是一种孤波。

既然孤子是一种波，波动性便是其中的主要性质。

但是孤子体现的是波粒二象性，孤子有色散与非线性的特点以及它独特的运动机制。

自然界很多事情是相辅相成的，正如色散与非线性共同作用构成了一个和谐的统一体。

孤子的运动过程中伴随非线性与色散的双重作用,而且两者的作用效果恰恰具有完全相反的效果。

波包稳定要形成孤子必须是二者以相互补充的方式协调，波包处在运动平衡的态势。

对于物理学来说孤子确实是一个惊天动地的发现，更令人振奋的是孤子在各个领域都有其作用，尤其在数学方面，推动了数学方法上发展。

人类的探索欲望无穷无尽，经历了电子时代的人都在寻找一种更快更稳定的传输方式，孤子的空降解决了这一难题，所以孤子最主要的应用领域在光通信方面。

人类在工业的发展上一直追求高效率，节能省材，无污染。

孤子在工业生产中也得到了极大地应用，例如导电塑料，激光等。

未来战争的模式是毁灭性的，各国的武器竞争愈演愈烈，孤子的出现丰富了武器种类，例如运用孤子制造了电磁导弹——一种杀伤能力极大地武器。

激光这种能量高、稳定性强、运用范围极广的新型事物，正是在孤子理论运用中发展起来的。

它给整个世界带来的影响随处可见，激光切割、激光武器、这些都是激光的应用。

孤子的真正发展的时间还不长，未来的应用前景将会更加广泛。

非线性科学成为主角将是未来的发展趋势，孤子作为旗下的一支，有其独特的魅力。

在数字化的时代，速度决定了一切，我们追求速度，孤子的出现为我们提供了坚强的后盾。

孤子的发展会是使世界翻天地覆变化的重要因素，以至于如今科学家们都可以预见孤子未来的应用前景。

科学家们最期待的就是光孤子传输技术，这是造福于民的工程。

当然，这里面还有许多的技术难关还没解决。

这就给人们带去了动力，科学的探索中需要一些难题，这样可以极大地丰富科学领域。

第二章孤子

据史记载，1834年的一天，年轻的英国造船工程师斯科特·罗素（J.S.Rusell）正在爱丁堡郊外，对一条运河进行河道勘察。

河道中一条特殊的船却给了他很大的兴趣,这条船被两匹白色的俊马拉着,沿着狭窄的河道快速前行。

罗素追了很长一段距离,船终于停了，但是事实上这里面有更加奇怪的现象发生了，船带动的水没有停下来。

那么水的运动是怎样的呢？

据罗素观察所得水一直在船头聚集并且扰动。

慢慢的便形成了一个很大的水堆，最后形成的竟然是物理上的一个波峰，它是孤立的，而且一直向前运动。

他发现这水峰约有29英尺左右长,高大概有1~1.5英尺,在河道中行进的时候一直保持的是原来的速度和形状。

科学家往往对新奇的事物充满好奇，且有绝对的动力揭开科学的谜底。

对于这样的现象，可能很多人只是看见它的表面觉得很神奇，不会对其背后深藏秘密进行探究。

罗素绝对不是这样的人，既然他能观察到这样的现象，他就决定一查到底。

见状，他骑上马紧紧跟随,发现水堆前进的速度在8~9英里/小时左右,到后来可能是由于能量降低的缘故，水堆波峰高度在慢慢的减小,罗素大约在跟踪了1~2英里后，这神奇的水堆终于消失在蜿蜒的河道中了。

对于这次观察到的现象，斯科特·罗素（J.S.Rusell）认为这绝非偶然。

为了从新获得观察到的那一现象，他在长约20英尺，宽约1英尺的水槽中进行了人工模拟，并获得了与河道中相同的实验现象。

罗素描写道：

这绝不是通常的波，因为通常的波在前进时，总是一部分高出水面，一部分低于水面，而这个波始终在水面之上。

这个波的形状也与通常波不同。

除此之外，它也不是停留在一个地方，而是前进了相当长的距离。

罗素非常自豪他的发现，并认为他发现的孤立波是伟大的，因此他也下定了决心要对这个新的发现研究到底，这也为他毕生贡献在此做了铺垫。

他做了多次试验，并根据这些实验结果得出了孤立波的传播速度表达式。

他也很想把自己所得到的新的理论结果和世人分享，所以面对在英国举行的第14次科学促进会，他对自己的研究结果做了充分的准备，就是想在会议上作一次完美的报告，事实上在会议上他做的报告够生动也够精彩，引起了很多人的注意。

但由于当时科学技术的限制,没有人再对这一问题作出进一步的理论或实验研究。

正如千里马没能遇到伯乐。

尘封的科学之谜到底何时能够解开，这是个疑问。

时间一点一滴的流逝，不知不觉时间已经过了六十年，正好到了1895年。

这一年注定是不平凡的一年，来自荷兰的科学家德弗里斯（deVries）和科特威格（Korteweg）通过努力研究，最终建立了举世著名的kdv方程。

罗素观察得到的孤波解便从理论上得到答案。

时间稍纵即逝，伴随时间的流逝科学技术的发展进入了前所未有的高峰期。

各种理论的应用造就了更多的科学产品，方便了人类的生活，为未来世界的发展奠定了基础。

二十世纪中叶诞生了改变整个世界的计算机，科学的发展在此基础上更进一步，正是有了计算机，复杂的问题不再需要人脑去运算，极大地提高了效率，以及成功率。

正因为如此孤立波的理论得以更加完善。

转眼间70年又过去了，时间来到1965年。

在这一年里美国两位在孤波方面做研究的科学家有了重大的发现，他们分别是美国科学家扎布斯基（Zabusky）和美国科学家克鲁斯卡尔（Kruscal）。

这两位天才科学家发现孤波在弦的非线性振动和等离子体中也存在。

对于这样的观察结果，他们显得很小心很谨慎，最后在计算机上进行了模拟研究。

证实了在孤波的碰撞中具有粒子性质,那么孤立子的概念也是首次被引入，目的是想用此来描述孤立波。

发展到后来孤立子也就被科学家们习惯性的叫做孤子。

孤子的研究此后进入了一个前所未有的高峰期，很多科学家在不同的领域相继发现了孤子的现象。

各种具有孤子解的非线性方程也就是在这样的背景下建立起来的。

科学家们研究了孤子的一些基本特性和基本的物理性质。

人们也在大力思索其应用的前景。

最终发现孤子的理论研究在众多的基础学科和诸多的高新技术领域都有涉及,。

孤子的研究对于非线性图像是一个很好地补充。

这样的研究对于世界的本质思考也具有实际的促进意义。

第三章孤子研究在几个重要领域的发展历程

3.1孤子研究在光纤通信中的发展

首先来看孤子在光纤孤子通信上的应用历程。

早在1968年孤子理论就在光纤通信问题中得到了应用。

在孤子理论应用以前，光纤通信系统中光脉冲的传输面临两个问题,其一是脉冲的展宽,其二是脉冲的能量损失。

现实发现在发送脉冲的过程中存在很多的不足，主要的有脉冲传输距离过长了会造成接收端的脉冲重叠，这样会使信号的识别出现大的问题。

而且脉冲过密也会造成同样的结果。

那么，限制已有的线性光纤通信系统扩大传输容量的主要因素，就是脉冲展宽。

于是在光纤中利用光孤子来传输信号,肯定会吸引人们的注意力。

因为从光孤子的特性出发，它是具有脉宽，振幅和形状都保持不变的非线性。

如此，解决了在信号传播中一项技术性的难题。

另外最重要的是，拓宽孤立子特性的应用。

这样重要的科学技术便会有广阔的发展前景。

光孤子的传输要得到很好地实现,首要的问题是研制出孤子激光器。

它具有精确可控的特点。

对于此种需求，科学家经过大力研发。

如今能在市场上找到的孤子激光器有很多种类。

用得比较多的有掺铒光纤孤子激光器。

锁模半导体激光器也是一种好的选择。

拉曼孤子激光器在现实中也用得比较频繁，还有其它一些实用的激光器。

科学家们正在大力研究实用化的光纤通信系统，并取得了不错的进展。

在这样的研究背景下，未来的信息社会中能够起主导作用的,必将是光孤子通信。

3.2孤子研究在生命体过程中的发展

其次再来关注在生命过程中的孤立子。

众所周知，对于生物体这样一个神秘又神奇的系统来说。

它必将是一个和外界每时每刻都在进行联系的系统。

因为能量的流动，物质的转移都是时时刻刻在进行着的。

自组织耗散结构就可能在这样维持生命活动的过程中出现。

因此,在生命活动的最基本也是最主要的过程中是生物能量和信息的传输。

1979年的时候，有一位科学家叫做达维多夫，来自乌克兰。

他对于孤子理论的运用超乎了很多科学家的想象。

在生命体过程中，他做了细致的研究与实验，最终，1979年，在∀螺旋蛋白质分子中结合能的传输问题中，率先用到了一维孤立子理论。

由于他的研究在当时处于顶尖水平，并且有他自己独到的见解，也符合了当时许多非线性方程,所以达维多夫孤立子也就是当时由他得到的解而命名的。

正是由于他所研究的课题处于一个前沿的领域，所以引起了当时的科学家们的极大兴趣，很多科学家纷纷投入这方面的研究。

主要的成就是在解释肌肉收缩等生理现象的方面取得了成功。

从此以后，生命体上的达维多夫孤子机制便广为人知。

在生物体生命过程中有很多重要的问题，这里要介绍的另一个相当重要问题是DNA（脱氧核糖核酸）分子。

它的主要作用是作为遗传的物质基础，另外还有作为遗传的信息负载者的作用。

生物体的复制功能问题是怎样完成的,对于这个问题的研究，人们在认识生物遗传与变异,以及诸如癌症等疾病的致病原因都是意义重大的。

从20世纪80年代开始，研究发现DNA分子可以出现包括混沌状态在内的各种局域性和空间构象涨落。

孤子激发是受条件控制的，也就是说辅以不同的条件孤子激发不同。

如果结合孤子的变化特点和不同性质,再辅以各种各样的酶，科研人员便能够很好地解释DNA的复制和解链过程。

此外人们惊奇地发现,DNA的复制现象居然是一种分形,而且得出其分形维数为0.63。

完全可以预言,进一步研究生命过程和孤子的关系将会对揭示生命过程关系有着非凡的意义。

3.3孤子研究在折变空间的发展

迄今为止，光折变空间的理论与实验还很不成熟，处于起步阶段。

国内外的科学家对这一方面的研究展现了浓厚地兴趣。

早在1992年国外科学家就提出了关于光折变空间孤子的理论研究结果。

时间推后一年，在此基础上又有两位国外科学家观察到了漩涡孤子，同时还观察到了隐态亮空间孤子。

而这些结果的发现是分别在SBN和TBO晶体中观察到的。

那么在我国国内，也首先开展了此项研究。

1995年，注定是我国科学家在孤子研究中获得成功的一年。

在国际上，利用光折变空间孤子写入储存波导是一个极具前沿的课题。

之所以说我国科学家在此方面取得了突破，是因为对于这个课题的方案提出，我们与国外的科学家几乎是同步的。

同时提出方案的有美国的斯坦福大学，阿肯萨斯大学，普林斯顿大学。

把一维波导成功的写入并储存在了Fe晶体中，这样的研究是科学界的又一个突破，也极大地鼓舞了我国科学家在这方面的研究。

我国科学家在这方面的研究此后进入了领先阶段，利用光生伏打稳态空间孤子率先把二维波导成功的写入并储存在LiNbO3，Fe晶体中。

更加前沿的课题摆在科学家的眼前，那就是对于三维储存器来说最好的光折变材料就是LiNbO3，Fe晶体。

这种认识是科学家们的一个共识，引领了科学家们的不懈努力。

而且这种材料有其独特的优点，第一材料具有很强烈的光生伏打内电场，不需要外加电场。

第二，这种材料成本很低，符合经济生产。

而且材料尺寸还够大，最关键的是材料易生长，这些原因都是得天独厚，所以科学家们对它的兴趣之浓也就不言而喻了。

第三，光折变灵敏度高是科学家探究的重点，恰恰这种材料便具备这样的特点，它的入射功率居然可以达到惊人的mW量级。

第四，写入的波导可通过加热或均匀光辐照擦洗掉，然后重写。

第五，这种材料可以写入与储存同时进行，而且相比以往的波导这种材料成本更低，周期更短，工艺更简单克。

综合以上优点，光折变空间孤子的研究是一条可喜的道路。

可以预料以巨大的应用前景。

3.4孤子研究在新型半导体激光器中的发展

一般来说，光通信中,通信速度会受到信号的光-电-光转换的限制而且会损失大量的能量。

这个问题的解决具有极大的意义，可以提高能量利用效率。

所以全世界的科学家们都投入了其中的研究。

令人振奋的是，如今出现了一种半导体激光器。

它是由英国和德国的科学家合作研制的。

它的特点是，受外部激光脉冲控制。

如果在通信系统中利用该器件的话，很多问题便能得到解决，它可以避免光-电信号的转变。

“空穴孤子激光器”是这种半导体激光器的一个名称。

它的建立和垂直腔面发射二极管激光器（VCSEL）有关。

光斑直径为12m的外部激光脉冲注入VCSEL腔,材料照射点折射率的变化使VCSEL谐振频率与外激励频率一致。

在一个特定的而且极小的区域内，有一个孤立的亮点，我们称它