近日，華東師范大學精密光譜科學與技術國家重點實驗室曾和平教授課題組在超快激光領域取得重要進展，該團隊首次實現(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》（Science）雜志子刊Science Advances上。該論文以華東師范大學為第一完成單位，英國阿斯頓大學為合作單位。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》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研究前沿，它是光束在傳播過程中由非線性效應平衡衍射／色散效應的結果，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)在關聯(lián)，有助于理解例如怪波（rogue wave），湍流，颶風，海嘯等極端現(xiàn)象，引發(fā)學界的廣泛關注。
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)探測技術響應時間在毫秒量級，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
A，B分別是呼吸子的光譜和時域的周期性演化。橫坐標是距離。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。當增強非線性時，呼吸子的這種周期性變化會變?nèi)酰―，E），進一步增強非線性時，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
如A所示，這里的光譜由一根根精細的線條構成，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）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，時域寬度和能量會周期性迅速改變。利用快速探測方法－色散傅里葉變換法，該團隊實驗上首次揭示了呼吸子的光譜和時域實時演化動力學特性。圖一清晰地展示了呼吸子的光譜和時域寬度隨著傳播距離呈現(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特性，此時光譜出現(xiàn)了一道道細紋，這是兩個脈沖干涉的結果。圖二C清晰地展示了兩個脈沖的幅度在傳輸時，同時變強變?nèi)?，像一個整體一樣。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領域獲得應用。有理由相信，呼吸子激光器的誕生會引起激光領域的極大興趣，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領域獲得廣泛關注。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、化學等領域的研究。
近年來，曾和平教授團隊在超快激光領域進行了一系列研究。揭示了單孤子和孤子分子的形成動力學［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制－孤子碰撞［Commun． Phys．， 2 （34） 2019］；研究了呼吸子的爆炸動力學［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、國家自然科學基金委以及上海市科委的資助。
《科學》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研究前沿，它是光束在傳播過程中由非線性效應平衡衍射／色散效應的結果，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)在關聯(lián)，有助于理解例如怪波（rogue wave），湍流，颶風，海嘯等極端現(xiàn)象，引發(fā)學界的廣泛關注。
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)探測技術響應時間在毫秒量級，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
A，B分別是呼吸子的光譜和時域的周期性演化。橫坐標是距離。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。當增強非線性時，呼吸子的這種周期性變化會變?nèi)酰―，E），進一步增強非線性時，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
如A所示，這里的光譜由一根根精細的線條構成，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）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，時域寬度和能量會周期性迅速改變。利用快速探測方法－色散傅里葉變換法，該團隊實驗上首次揭示了呼吸子的光譜和時域實時演化動力學特性。圖一清晰地展示了呼吸子的光譜和時域寬度隨著傳播距離呈現(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特性，此時光譜出現(xiàn)了一道道細紋，這是兩個脈沖干涉的結果。圖二C清晰地展示了兩個脈沖的幅度在傳輸時，同時變強變?nèi)?，像一個整體一樣。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領域獲得應用。有理由相信，呼吸子激光器的誕生會引起激光領域的極大興趣，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領域獲得廣泛關注。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、化學等領域的研究。
近年來，曾和平教授團隊在超快激光領域進行了一系列研究。揭示了單孤子和孤子分子的形成動力學［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制－孤子碰撞［Commun． Phys．， 2 （34） 2019］；研究了呼吸子的爆炸動力學［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、國家自然科學基金委以及上海市科委的資助。
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