中文摘要：

光子弹（时空孤子）产生于超短激光脉冲在非线性介质中传播时所遭受的非线性、群速色散、和衍射三者之间的精确平衡。由于超快非线性所固有的不稳定性以及实际平衡操作上的困难，3D非线性光子弹的实验实现极具挑战性，被广泛认为是当今光孤子领域的前沿课题之一。在本项目中，我们将提出自螺旋光子弹的时空局域概念，并从理论和实验上研究其形成、演化和相互作用。具体上，通过引入一个新的自由度- - 光学轨道角动量,来抑制脉冲光束的时空塌陷；然后借助二维波导阵列的周期性结构（离散性）来捕获时空脉冲形成3D自螺旋光子弹；在此基础上，研究它们的稳定性及其局域/非局域相互作用。我们也将探讨光感应波导阵列在非线性光子弹产生方面的应用，以及二维波导阵列与光子晶体光纤在孤子产生机制上的区别。鉴于自螺旋光子弹在全光信息处理、光学操控等领域上的潜在应用，可以预见我们的项目研究将具有基础物理和实际应用意义。

结论摘要：

强激光脉冲在非线性波导或体光学介质中传播时将遭受到强烈的时空脉冲重整，从而展现出复杂的多维动力学。理论和实验研究表明，面对这类时空动力学问题时，其时间和空间自由度是不能单独分开处理的。时空孤子，又称光子弹，是一类优美的时空局域波包，其源于群速色散、衍射和非线性三者之间的精确平衡。但是，由于超快非线性所固有的不稳定性，理论或实验实现这类光子弹的稳定传播将是一项极具挑战性的工作。这从侧面也解释了为什么更高维度的时空孤子产生及其传播话题已经变成非线性光学领域的研究圣杯。从理论上讲，光子弹现象的解释是不能囿于非线性薛定谔方程理论框架的，通常需要借助诸如改变非线性的性质、添加非线性耗散项、或设计一种微结构的材料等才能实现光子弹的形成。现在，越来越多的证据表明，复杂时空局域动力学的探索已经成为非线性光学领域的热门研究话题之一，吸引来自非线性显微镜学、X线断层摄影术、激光感应的粒子加速、远程传感、波色爱因斯坦凝聚、体光学数据储存及其光互联等领域科研人员的持续关注。 在本项目中，我们系统地对超短激光脉冲在不同物理设置中的时空局域现象开展了卓有成效的研究，研究范围从标量体耗散介质到复合（2＋1）维非线性介质、从矢量Manakov系统到三波谐振相互作用系统，取得了一系列重要的科研成果。许多新颖的时空局域结构及其潜在的物理机制被揭示出来。例如，我们首次报导了矢量暗“三姊妹”光学异常波、表指针型超级异常波、共存异常波、吸引子型无自旋光子弹、异常波光子弹等等，数值展示了这些时空局域光波的强稳定性，预测了其在双折射光纤或波导阵列、在锁模纤维激光器、或在微结构或复合多维材料中的实现可能性。这些成果已经整理成13篇论文发表在国外权威期刊如Physical Review A/E, Optics Express, Physics Letters A, 和Journal of Physics A上，至今已引用150余次。特别地，我们2014年在PRE上发表的一篇快讯已于2015年被列入ISI高被引论文(物理领域前1％)。可以预见，这些研究成果不仅对激光与物质相互作用的研究、光学极端波事件的预测、高效实验方案的设计等具有重要的物理和实际意义，而且对其他具有类似时空动力学的物理学科如流体动力学、海洋学、等离子物理、波色爱因斯坦凝聚等也具有广泛的理论借鉴意义。