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【发表文章】刘雪明团队在PRL发表论文揭示孤子分子产生的动力学过程

来源:管理员   时间:2018-07-10

       长期以来,实时测量复杂的光学超快过程一直是超快激光领域的重要课题。日前,浙江大学光电科学与工程学院现代光学仪器国家重点实验室刘雪明教授领导的课题组首次在锁模光纤激光器中观测到了孤子分子的完整形成过程。这项研究成果发表在最新一期《物理评论快报》上[Physical Review Letters 121, 023905 (2018)],文章标题为“Real-time observation of the buildup of soliton molecules”。[pdf]


       孤子作为一种非线性局域波,广泛存在于物理学各个领域,如流体力学、凝聚态物理、声学、光学等。光孤子具有粒子特性,多个孤子通过相互作用可以形成束缚态,类似于化学分子,通常被称为孤子分子。长久以来,电子仪器设备的探测速度受到机械或电子的限制,很难获取非重复性的瞬态信息,如何实现瞬态物理现象的实时测量对于研究人员而言一直是一项巨大的挑战。时间展宽色散傅里叶变换(TS-DFT)技术的出现克服了传统光谱仪的速度限制,可实现快速实时光谱测量。近年来,基于TS-DFT技术,实现了对光脉冲超快瞬时演化的实时探测,并对光孤子间的相互作用有了新的认识。然而,对于超快光学系统中孤子分子的完整形成过程至今还没有报道。



       图1. (a)孤子分子形成之前光纤激光经历的第一个阶段:增强的驰豫振荡;(b) 时间34.5 ns处的脉冲峰值演化,对应于图(a)中蓝色线框截面的数据;(c) 脉冲在腔内传输第-570圈的强度分布,对应于图(a)中红色线框截面的数据。


       刘雪明教授及其课题组成员基于TS-DFT技术,研究了被动锁模光纤激光器中孤子分子的完整演化过程。该团队发现了孤子分子形成之前将经历五个阶段,分别是:增强的驰豫振荡(如图1 (a)所示)、拍频、瞬时单脉冲、瞬时束缚态以及稳定束缚态,如图2所示。在增强的驰豫振荡阶段,脉冲演化遵循“丛林法则”(即较强脉冲越来越强,较弱脉冲越来越弱,最强脉冲最终形成孤子分子,其余脉冲全部消失。见该文的视频补充材料)。此外,各个脉冲每消失一段时间后,将在每个激发尖峰(lasing spike)的相同时间位置“复活”,具有“记忆”能力(如图1(b)所示)。研究发现,孤子分子演化过程对激光系统的偏振态和泵浦功率涨落非常敏感。这些研究成果对锁模激光瞬态过程的研究以及超快激光系统的设计具有重要指导意义



       图2. 孤子分子稳定之前所经历的阶段:拍频(A和B区域)、瞬时单脉冲、瞬时束缚态以及稳定束缚态。


       上述研究得到了国家杰出青年基金、国家自然科学基金和陕西省重点科技创新团队计划项目的支持。


       原文链接:http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.023905