近日，華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室曾和平教授課題組在超快激光領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，該團(tuán)隊首次實現(xiàn)了一種被稱之為“呼吸子”的超快激光脈沖。研究成果“Breathing dissipative solitons in mode－locked fiber lasers”于2019年11月發(fā)表于《科學(xué)》（Science）雜志子刊Science Advances上。該論文以華東師范大學(xué)為第一完成單位，英國阿斯頓大學(xué)為合作單位。曾和平教授為論文唯一通訊作者，彭俊松副研究員為第一作者。
《科學(xué)》子刊刊登曾和平教授課題組研究成果
會“呼吸”的非線性波卻探測、產(chǎn)生兩難
光孤子一直是非線性光學(xué)研究前沿，它是光束在傳播過程中由非線性效應(yīng)平衡衍射／色散效應(yīng)的結(jié)果，通俗來說，孤子是一種在傳輸時不會發(fā)散的波包。而與之不同的是，呼吸子在傳輸過程中其大小會發(fā)生周期性變化（周期性地發(fā)散再匯聚），好像人在不斷地呼氣（發(fā)散）、吸氣（匯聚）的過程。由于呼吸子這種非線性波和許多非線性現(xiàn)象有著內(nèi)在關(guān)聯(lián)，有助于理解例如怪波（rogue wave），湍流，颶風(fēng)，海嘯等極端現(xiàn)象，引發(fā)學(xué)界的廣泛關(guān)注。
此前，呼吸子的產(chǎn)生局限于能量保守系統(tǒng)，例如水波、單通光纖系統(tǒng)。然而大量現(xiàn)實世界的物理系統(tǒng)都是耗散系統(tǒng)，那呼吸子是否也可以在耗散系統(tǒng)里產(chǎn)生？該課題組注意到飛秒激光器是一個典型的耗散系統(tǒng)，最近的理論模擬表明飛秒激光器可能可以產(chǎn)生呼吸子。然而實驗上產(chǎn)生呼吸子的難點在于理論模型過于簡化，很難與復(fù)雜的飛秒激光系統(tǒng)相聯(lián)系。此外，呼吸子在納秒量級快速變化，傳統(tǒng)探測技術(shù)響應(yīng)時間在毫秒量級，根本無法探測到呼吸子。
揭示呼吸子和呼吸子分子的“面貌”
圖1：呼吸子高速演化動力學(xué)
A，B分別是呼吸子的光譜和時域的周期性演化。橫坐標(biāo)是距離。隨著距離的增加可以看出呼吸子的光譜和時域均出現(xiàn)周期性變化。當(dāng)增強(qiáng)非線性時，呼吸子的這種周期性變化會變?nèi)酰―，E），進(jìn)一步增強(qiáng)非線性時，孤子會出現(xiàn)。G，H是孤子的光譜和時域，由圖可以看出這兩個參量在傳輸過程中均保持不變。
圖2：呼吸子分子動力學(xué)
如A所示，這里的光譜由一根根精細(xì)的線條構(gòu)成，這表明時域上有兩個脈沖正如圖C所示。此外光譜隨著距離（縱坐標(biāo)）周期性地變寬變窄，表明這是呼吸子分子。圖C從時域上更直觀地展現(xiàn)呼吸子分子的周期性變化。
曾和平教授課題組首次確立了通用的、可靠的在激光器中激發(fā)呼吸子的方法。其中，非線性管理是激發(fā)呼吸子的關(guān)鍵。與傳統(tǒng)飛秒激光器輸出幅度一致的脈沖不同，呼吸子激光器輸出的脈沖光譜，時域?qū)挾群湍芰繒芷谛匝杆俑淖?。利用快速探測方法－色散傅里葉變換法，該團(tuán)隊實驗上首次揭示了呼吸子的光譜和時域?qū)崟r演化動力學(xué)特性。圖一清晰地展示了呼吸子的光譜和時域?qū)挾入S著傳播距離呈現(xiàn)周期性變化，并表明增加非線性會使得激光從呼吸子變成孤子。此外，該團(tuán)隊還報道了呼吸子分子（Breather molecule），這是指兩個呼吸子離的很近的一種狀態(tài)。圖二展示了呼吸子分子的動力學(xué)特性，此時光譜出現(xiàn)了一道道細(xì)紋，這是兩個脈沖干涉的結(jié)果。圖二C清晰地展示了兩個脈沖的幅度在傳輸時，同時變強(qiáng)變?nèi)酰褚粋€整體一樣。呼吸子分子的發(fā)現(xiàn)表明物質(zhì)分子這一概念不僅適用于孤子，也可以拓展到呼吸子領(lǐng)域。
傳統(tǒng)飛秒激光器輸出的是能量均勻的脈沖序列即每道激光的能量一致。呼吸子激光器打破了這種能量均勻化分布，某些激光獲得極高能量（以犧牲其它激光的能量為代價），這種極高能量的脈沖有望在非線性光學(xué)領(lǐng)域獲得應(yīng)用。有理由相信，呼吸子激光器的誕生會引起激光領(lǐng)域的極大興趣，因為這是一種全新的激光工作模式。飛秒激光器是典型的朗道方程描述的普適系統(tǒng)，因此該工作也會在其它相關(guān)領(lǐng)域獲得廣泛關(guān)注。特別地，該研究將推動呼吸子和呼吸子分子在等離子物理、原子分子物理、海洋學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域的研究。
近年來，曾和平教授團(tuán)隊在超快激光領(lǐng)域進(jìn)行了一系列研究。揭示了單孤子和孤子分子的形成動力學(xué)［Commun． Phys．， 1（20）， 2018； Laser ＆ Photon． Rev． 12 （8）， 1800009， 2018］；發(fā)現(xiàn)一種孤子爆炸的新機(jī)制－孤子碰撞［Commun． Phys．， 2 （34） 2019］；研究了呼吸子的爆炸動力學(xué)［Phys． Rev． Appl． 12， 034052 （2019）］；提出并證明了一種超快激光器的新的增益機(jī)制－自參量放大［Phys． Rev． Appl． 11， 044068 （2019）］。這項工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委以及上海市科委的資助。
《科學(xué)》子刊刊登曾和平教授課題組研究成果
會“呼吸”的非線性波卻探測、產(chǎn)生兩難
光孤子一直是非線性光學(xué)研究前沿，它是光束在傳播過程中由非線性效應(yīng)平衡衍射／色散效應(yīng)的結(jié)果，通俗來說，孤子是一種在傳輸時不會發(fā)散的波包。而與之不同的是，呼吸子在傳輸過程中其大小會發(fā)生周期性變化（周期性地發(fā)散再匯聚），好像人在不斷地呼氣（發(fā)散）、吸氣（匯聚）的過程。由于呼吸子這種非線性波和許多非線性現(xiàn)象有著內(nèi)在關(guān)聯(lián)，有助于理解例如怪波（rogue wave），湍流，颶風(fēng)，海嘯等極端現(xiàn)象，引發(fā)學(xué)界的廣泛關(guān)注。
此前，呼吸子的產(chǎn)生局限于能量保守系統(tǒng)，例如水波、單通光纖系統(tǒng)。然而大量現(xiàn)實世界的物理系統(tǒng)都是耗散系統(tǒng)，那呼吸子是否也可以在耗散系統(tǒng)里產(chǎn)生？該課題組注意到飛秒激光器是一個典型的耗散系統(tǒng)，最近的理論模擬表明飛秒激光器可能可以產(chǎn)生呼吸子。然而實驗上產(chǎn)生呼吸子的難點在于理論模型過于簡化，很難與復(fù)雜的飛秒激光系統(tǒng)相聯(lián)系。此外，呼吸子在納秒量級快速變化，傳統(tǒng)探測技術(shù)響應(yīng)時間在毫秒量級，根本無法探測到呼吸子。
揭示呼吸子和呼吸子分子的“面貌”
圖1：呼吸子高速演化動力學(xué)
A，B分別是呼吸子的光譜和時域的周期性演化。橫坐標(biāo)是距離。隨著距離的增加可以看出呼吸子的光譜和時域均出現(xiàn)周期性變化。當(dāng)增強(qiáng)非線性時，呼吸子的這種周期性變化會變?nèi)酰―，E），進(jìn)一步增強(qiáng)非線性時，孤子會出現(xiàn)。G，H是孤子的光譜和時域，由圖可以看出這兩個參量在傳輸過程中均保持不變。
圖2：呼吸子分子動力學(xué)
如A所示，這里的光譜由一根根精細(xì)的線條構(gòu)成，這表明時域上有兩個脈沖正如圖C所示。此外光譜隨著距離（縱坐標(biāo)）周期性地變寬變窄，表明這是呼吸子分子。圖C從時域上更直觀地展現(xiàn)呼吸子分子的周期性變化。
曾和平教授課題組首次確立了通用的、可靠的在激光器中激發(fā)呼吸子的方法。其中，非線性管理是激發(fā)呼吸子的關(guān)鍵。與傳統(tǒng)飛秒激光器輸出幅度一致的脈沖不同，呼吸子激光器輸出的脈沖光譜，時域?qū)挾群湍芰繒芷谛匝杆俑淖?。利用快速探測方法－色散傅里葉變換法，該團(tuán)隊實驗上首次揭示了呼吸子的光譜和時域?qū)崟r演化動力學(xué)特性。圖一清晰地展示了呼吸子的光譜和時域?qū)挾入S著傳播距離呈現(xiàn)周期性變化，并表明增加非線性會使得激光從呼吸子變成孤子。此外，該團(tuán)隊還報道了呼吸子分子（Breather molecule），這是指兩個呼吸子離的很近的一種狀態(tài)。圖二展示了呼吸子分子的動力學(xué)特性，此時光譜出現(xiàn)了一道道細(xì)紋，這是兩個脈沖干涉的結(jié)果。圖二C清晰地展示了兩個脈沖的幅度在傳輸時，同時變強(qiáng)變?nèi)酰褚粋€整體一樣。呼吸子分子的發(fā)現(xiàn)表明物質(zhì)分子這一概念不僅適用于孤子，也可以拓展到呼吸子領(lǐng)域。
傳統(tǒng)飛秒激光器輸出的是能量均勻的脈沖序列即每道激光的能量一致。呼吸子激光器打破了這種能量均勻化分布，某些激光獲得極高能量（以犧牲其它激光的能量為代價），這種極高能量的脈沖有望在非線性光學(xué)領(lǐng)域獲得應(yīng)用。有理由相信，呼吸子激光器的誕生會引起激光領(lǐng)域的極大興趣，因為這是一種全新的激光工作模式。飛秒激光器是典型的朗道方程描述的普適系統(tǒng)，因此該工作也會在其它相關(guān)領(lǐng)域獲得廣泛關(guān)注。特別地，該研究將推動呼吸子和呼吸子分子在等離子物理、原子分子物理、海洋學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域的研究。
近年來，曾和平教授團(tuán)隊在超快激光領(lǐng)域進(jìn)行了一系列研究。揭示了單孤子和孤子分子的形成動力學(xué)［Commun． Phys．， 1（20）， 2018； Laser ＆ Photon． Rev． 12 （8）， 1800009， 2018］；發(fā)現(xiàn)一種孤子爆炸的新機(jī)制－孤子碰撞［Commun． Phys．， 2 （34） 2019］；研究了呼吸子的爆炸動力學(xué)［Phys． Rev． Appl． 12， 034052 （2019）］；提出并證明了一種超快激光器的新的增益機(jī)制－自參量放大［Phys． Rev． Appl． 11， 044068 （2019）］。這項工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委以及上海市科委的資助。
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