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被动锁模光纤激光器中的呼吸子分子复合物
发布时间：2021-11-02
呼吸子是一种能量局域化振荡的非线性波。由于呼吸子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。呼吸子已经在多种系统中被观测到了，例如冷原子，水波，光学微腔等。在激光领域，2019年呼吸子首次在锁模激光器中被发现（Science Advances 5, eaax1110 2019）。该工作通过降低非线性引起色散和非线性的失配，激发出了呼吸子；当色散和非线性平衡的时候，激光器输出的是孤子激光。锁模激光器是指利用技术手段将激光器内几十万个模式的相位和幅度锁定，这些模式相干叠加后得到超短脉冲。
与孤子类似，耗散系统中的呼吸子可以形成稳定的束缚态，表现出类似物质分子的动力学行为，通常被称为呼吸子分子。到目前为止，光学呼吸子分子的实验观测及其动力学实时检测仅限于双原子分子（两个呼吸子的束缚态）。光学呼吸子分子能否像物质分子一样存在更复杂的形态一直不清楚。
华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室的研究团队在锁模光纤激光器中观察到了三种呼吸子分子复合物包括多呼吸子分子（下图）、两个呼吸子对（2+2）构成的复合物以及一个呼吸子对和单个呼吸子（2+1）构成的呼吸子分子复合物。这种呼吸子分子复合物的分子间的间距达到数百皮秒，比对应的孤子分子复合物高出一个数量级以上，表明其是长程相互作用。最近的理论研究表明，相距较远的呼吸子可以通过尾翼的色散波交换能量从而通过谐波同步束缚在一起，这正是呼吸子分子长程相互作用的内在机制。
此外，研究人员还研究了呼吸子分子复合物的非平衡态动力学，包括呼吸子的非弹性碰撞和湮灭行为。最后，由Ginzburg-Landau方程描述的激光模型的数值模拟证实了实验现象。这项工作开启了以呼吸子为基本结构的多体动力学研究的可能性。该工作发表在Laser Photonics Rev.上 （"Breather molecular complexes in a passivly mode-locked fiber laser", Laser Photonics Reviews, 2000132, 2021.）。
图1 四个呼吸子组成的呼吸子分子。a）呼吸子分子强度随时间周期性演化（光纤三阶色散引起脉冲右移）。b）一个周期内最强和最弱的呼吸子的强度对比（强度相差几乎一个数量级）。c）呼吸子分子光谱随时间周期变化,可以看出光谱宽度有着很大的变化。d）一个周期内最宽和最窄光谱图（宽度相差7倍）。
文章作者：华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室
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