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科学家在锁模光纤激光器中发现光学“超分子”束缚态

来源:科技日报2020-04-24 我要评论(0 )   

近期,德国马普光科学研究所的研究团队在锁模光纤激光与光孤子物理领域取得新进展,在高频脉冲光纤激光器内首次观测到复杂且稳定可控的光学“孤子超分子”结构。相关成...

近期,德国马普光科学研究所的研究团队在锁模光纤激光与光孤子物理领域取得新进展,在高频脉冲光纤激光器内首次观测到复杂且稳定可控的光学“孤子超分子”结构。相关成果发表于《自然-通讯》,并荣获“2019年物理类Top 50最受关注论文”,是该团队在利用光子晶体光纤实现高频声光锁模超快激光器和全光比特信息存储之后的又一突破性成果。论文的通讯作者庞盟现工作单位为中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室。

光孤子在传播过程中可以维持形状,即使受到少量干扰也能保持稳定,因此一直被认为是一种理想的光信息载体。光孤子的自稳特性源于光的色散效应和非线性效应之间的平衡,是非线性科学里“吸引子”概念在光学系统里的一个具体实现。

很早以前人们就知道,若干个光孤子在特定的条件下可以形成稳定的束缚态,犹如一个整体一样,在传播过程保持固定的距离和相位关系。正如束缚在一起的原子可以构成分子一样,这样的光孤子束缚态被称为“孤子分子”。然而,传统观点认为产生“孤子分子”的前提是孤子之间的距离足够小,孤子在空间上必须部分重叠才能产生足够强的相互作用,从而产生稳定的束缚态。孤子间的远距离相互作用往往被认为非常微弱而且难以控制,因此通常被认为是一种微扰,必须加以抑制。

该项研究中,研究人员反其道而行之,巧妙地增强并控制了光孤子间的远距离相互作用,让成百上千个光孤子以一种稳定、有序、可控的方式形成了一种前所未有的“超分子”结构。

产生这种“孤子超分子”的关键在于一种可以增强光学非线性效应的特种光纤:光子晶体光纤。研究人员在一个锁模光纤激光器中引入一小段纤芯直径仅2微米的光子晶体光纤。光在这种特种光纤中传播时可以有效的激发纤芯内的高频声波谐振。此声波谐振频率远高于激光腔的基础重复频率,产生的高频声光调制可以把存在于激光器里的大量光孤子分组并等间接的隔开,产生稳定的“光机晶格”。在此“光机晶格”的每个时间单元内部,基于一种精心构造的力学平衡(图1),多个光孤子可以在远间距上形成稳定的束缚态。

光学的“超分子”束缚态产生机理

实验结果表明:“光机晶格”内的每个时间单元可以包含不同数量的光孤子,而这种束缚态的最小单元既可以是单个孤子,也可以是包含两三个孤子的“孤子分子”。因此形成的结构比传统的孤子分子要复杂的多,被命名为“孤子超分子”(图2)。

一些包含孤子分子的“超分子”束缚态。

这种复杂的“孤子超分子”结构一旦产生,可在激光器内稳定存在数小时。同时,通过调节激光器参数,孤子间的远距离束缚力可以被灵活调节。另外,“孤子超分子”中的基本单元也可以自由的增加或减少,且不影响整个结构的稳定性(图3)。这些特性很容易让人联想起生物化学领域的“超分子”(比如:DNA等),它们都同样兼具复杂,稳定和灵活的特性。相较于传统“孤子分子”,新发现的“孤子超分子”结构更多样,变化更灵活,同时拥有很强的自稳定特性。这项发现对于光孤子在非线性科学中的理解和在光信息科学中的应用具有重要的启发意义。

在“超分子”束缚态内自由的加入或去除光孤子。


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科学家锁模光纤激光器

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