会呼吸的激光 华东师大科学家首次实现呼吸子超快激光脉冲

来源:华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室    关键词:激光, 超快激光脉冲, 激光技术,    发布时间:2019-11-06

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近日,华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室曾和平教授课题组在超快激光领域取得重要进展,该团队首次实现了一种被称之为“呼吸子”的超快激光脉冲。研究成果“Breathing dissipative solitons in mode-locked fiber lasers”于2019年11月发表于《科学》(Science)杂志子刊Science Advances上。该论文以华东师范大学为第一完成单位,英国阿斯顿大学为合作单位。曾和平教授为论文唯一通讯作者,彭俊松副研究员为第一作者。

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《科学》子刊刊登曾和平教授课题组研究成果

会“呼吸”的非线性波却探测、产生两难

光孤子一直是非线性光学研究前沿,它是光束在传播过程中由非线性效应平衡衍射/色散效应的结果,通俗来说,孤子是一种在传输时不会发散的波包。而与之不同的是,呼吸子在传输过程中其大小会发生周期性变化(周期性地发散再汇聚),好像人在不断地呼气(发散)、吸气(汇聚)的过程。由于呼吸子这种非线性波和许多非线性现象有着内在关联,有助于理解例如怪波(rogue wave),湍流,飓风,海啸等极端现象,引发学界的广泛关注。

此前,呼吸子的产生局限于能量保守系统,例如水波、单通光纤系统。然而大量现实世界的物理系统都是耗散系统,那呼吸子是否也可以在耗散系统里产生?该课题组注意到飞秒激光器是一个典型的耗散系统,最近的理论模拟表明飞秒激光器可能可以产生呼吸子。然而实验上产生呼吸子的难点在于理论模型过于简化,很难与复杂的飞秒激光系统相联系。此外,呼吸子在纳秒量级快速变化,传统探测技术响应时间在毫秒量级,根本无法探测到呼吸子。

揭示呼吸子和呼吸子分子的“面貌”

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图1:呼吸子高速演化动力学

A,B分别是呼吸子的光谱和时域的周期性演化。横坐标是距离。随着距离的增加可以看出呼吸子的光谱和时域均出现周期性变化。当增强非线性时,呼吸子的这种周期性变化会变弱(D,E),进一步增强非线性时,孤子会出现。G,H是孤子的光谱和时域,由图可以看出这两个参量在传输过程中均保持不变。

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图2:呼吸子分子动力学

如A所示,这里的光谱由一根根精细的线条构成,这表明时域上有两个脉冲正如图C所示。此外光谱随着距离(纵坐标)周期性地变宽变窄,表明这是呼吸子分子。图C从时域上更直观地展现呼吸子分子的周期性变化。

曾和平教授课题组首次确立了通用的、可靠的在激光器中激发呼吸子的方法。其中,非线性管理是激发呼吸子的关键。与传统飞秒激光器输出幅度一致的脉冲不同,呼吸子激光器输出的脉冲光谱,时域宽度和能量会周期性迅速改变。利用快速探测方法-色散傅里叶变换法,该团队实验上首次揭示了呼吸子的光谱和时域实时演化动力学特性。图一清晰地展示了呼吸子的光谱和时域宽度随着传播距离呈现周期性变化,并表明增加非线性会使得激光从呼吸子变成孤子。此外,该团队还报道了呼吸子分子(Breather molecule),这是指两个呼吸子离的很近的一种状态。图二展示了呼吸子分子的动力学特性,此时光谱出现了一道道细纹,这是两个脉冲干涉的结果。图二C清晰地展示了两个脉冲的幅度在传输时,同时变强变弱,像一个整体一样。呼吸子分子的发现表明物质分子这一概念不仅适用于孤子,也可以拓展到呼吸子领域。

传统飞秒激光器输出的是能量均匀的脉冲序列即每道激光的能量一致。呼吸子激光器打破了这种能量均匀化分布,某些激光获得极高能量(以牺牲其它激光的能量为代价),这种极高能量的脉冲有望在非线性光学领域获得应用。有理由相信,呼吸子激光器的诞生会引起激光领域的极大兴趣,因为这是一种全新的激光工作模式。飞秒激光器是典型的朗道方程描述的普适系统,因此该工作也会在其它相关领域获得广泛关注。特别地,该研究将推动呼吸子和呼吸子分子在等离子物理、原子分子物理、海洋学、化学等领域的研究。

近年来,曾和平教授团队在超快激光领域进行了一系列研究。揭示了单孤子和孤子分子的形成动力学[Commun. Phys., 1(20), 2018; Laser & Photon. Rev. 12 (8), 1800009, 2018];发现一种孤子爆炸的新机制-孤子碰撞[Commun. Phys., 2 (34) 2019];研究了呼吸子的爆炸动力学[Phys. Rev. Appl. 12, 034052 (2019)];提出并证明了一种超快激光器的新的增益机制-自参量放大[Phys. Rev. Appl. 11, 044068 (2019)]。这项工作得到了科技部、国家自然科学基金委以及上海市科委的资助。