近期，德國(guó)馬普光科學(xué)研究所的研究團(tuán)隊(duì)在鎖模光纖激光與光孤子物理領(lǐng)域取得新進(jìn)展，在高頻脈沖光纖激光器內(nèi)首次觀測(cè)到復(fù)雜且穩(wěn)定可控的光學(xué)“孤子超分子”結(jié)構(gòu)。相關(guān)成果發(fā)表于《自然-通訊》，并榮獲“2019年物理類Top 50最受關(guān)注論文”，是該團(tuán)隊(duì)在利用光子晶體光纖實(shí)現(xiàn)高頻聲光鎖模超快激光器和全光比特信息存儲(chǔ)之后的又一突破性成果。論文的通訊作者龐盟現(xiàn)工作單位為中科院上海光機(jī)所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

光孤子在傳播過程中可以維持形狀，即使受到少量干擾也能保持穩(wěn)定，因此一直被認(rèn)為是一種理想的光信息載體。光孤子的自穩(wěn)特性源于光的色散效應(yīng)和非線性效應(yīng)之間的平衡，是非線性科學(xué)里“吸引子”概念在光學(xué)系統(tǒng)里的一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)。

很早以前人們就知道，若干個(gè)光孤子在特定的條件下可以形成穩(wěn)定的束縛態(tài)，猶如一個(gè)整體一樣，在傳播過程保持固定的距離和相位關(guān)系。正如束縛在一起的原子可以構(gòu)成分子一樣，這樣的光孤子束縛態(tài)被稱為“孤子分子”。然而，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為產(chǎn)生“孤子分子”的前提是孤子之間的距離足夠小，孤子在空間上必須部分重疊才能產(chǎn)生足夠強(qiáng)的相互作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的束縛態(tài)。孤子間的遠(yuǎn)距離相互作用往往被認(rèn)為非常微弱而且難以控制，因此通常被認(rèn)為是一種微擾，必須加以抑制。

該項(xiàng)研究中，研究人員反其道而行之，巧妙地增強(qiáng)并控制了光孤子間的遠(yuǎn)距離相互作用，讓成百上千個(gè)光孤子以一種穩(wěn)定、有序、可控的方式形成了一種前所未有的“超分子”結(jié)構(gòu)。

產(chǎn)生這種“孤子超分子”的關(guān)鍵在于一種可以增強(qiáng)光學(xué)非線性效應(yīng)的特種光纖：光子晶體光纖。研究人員在一個(gè)鎖模光纖激光器中引入一小段纖芯直徑僅2微米的光子晶體光纖。光在這種特種光纖中傳播時(shí)可以有效的激發(fā)纖芯內(nèi)的高頻聲波諧振。此聲波諧振頻率遠(yuǎn)高于激光腔的基礎(chǔ)重復(fù)頻率，產(chǎn)生的高頻聲光調(diào)制可以把存在于激光器里的大量光孤子分組并等間接的隔開，產(chǎn)生穩(wěn)定的“光機(jī)晶格”。在此“光機(jī)晶格”的每個(gè)時(shí)間單元內(nèi)部，基于一種精心構(gòu)造的力學(xué)平衡（圖1），多個(gè)光孤子可以在遠(yuǎn)間距上形成穩(wěn)定的束縛態(tài)。

光學(xué)的“超分子”束縛態(tài)產(chǎn)生機(jī)理

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：“光機(jī)晶格”內(nèi)的每個(gè)時(shí)間單元可以包含不同數(shù)量的光孤子，而這種束縛態(tài)的最小單元既可以是單個(gè)孤子，也可以是包含兩三個(gè)孤子的“孤子分子”。因此形成的結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的孤子分子要復(fù)雜的多，被命名為“孤子超分子”（圖2）。

一些包含孤子分子的“超分子”束縛態(tài)。

這種復(fù)雜的“孤子超分子”結(jié)構(gòu)一旦產(chǎn)生，可在激光器內(nèi)穩(wěn)定存在數(shù)小時(shí)。同時(shí)，通過調(diào)節(jié)激光器參數(shù)，孤子間的遠(yuǎn)距離束縛力可以被靈活調(diào)節(jié)。另外，“孤子超分子”中的基本單元也可以自由的增加或減少，且不影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性（圖3）。這些特性很容易讓人聯(lián)想起生物化學(xué)領(lǐng)域的“超分子”（比如：DNA等），它們都同樣兼具復(fù)雜，穩(wěn)定和靈活的特性。相較于傳統(tǒng)“孤子分子”，新發(fā)現(xiàn)的“孤子超分子”結(jié)構(gòu)更多樣，變化更靈活，同時(shí)擁有很強(qiáng)的自穩(wěn)定特性。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)對(duì)于光孤子在非線性科學(xué)中的理解和在光信息科學(xué)中的應(yīng)用具有重要的啟發(fā)意義。

在“超分子”束縛態(tài)內(nèi)自由的加入或去除光孤子。