近期,浙江大学光电科学与工程学院刘雪明教授带领的课题组采用时间展宽色散傅里叶变换技术,首次观测到了锁模光纤激光器中孤子分子的完整形成过程。

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。光孤子是一种能稳定传输的局域光脉冲,基于光孤子的锁模激光在微机械加工、材料处理、超快诊断、生物医学、光电传感等领域都具有重要的应用价值。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。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,如何实现瞬态光学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,人们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 实时测量光纤激光中孤子分子的实验装置图

刘雪明教授团队采用图1所示的锁模光纤激光实时测量系统,研究了孤子分子的超快动力学过程。从图1右侧锁模光纤激光系统输出的脉冲序列被分为三路进入图1左侧的测量系统,其中进入色散补偿光纤(DCF)传输的一路为TS-DFT测量。当光脉冲在DCF中传播时,受群速度色散的影响而被拉伸,同时光谱中不同的波长成分由于不同的传播速度而在时间上分离,脉冲因此而被拉伸,拉伸后的时域波形与脉冲光谱的形状一致,从而实现将光脉冲分布从频率域映射到时域。使用高速光电探测器接收被拉伸的脉冲信号,并通过高速示波器采样可分析脉冲光谱,能够实现远高于传统光谱仪的探测速率。


图2 (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

该团队发现锁模光纤激光在稳定的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2 (a)所示)、拍频、瞬时单脉冲、瞬时束缚态以及稳定束缚态,如图3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2(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抽运功率涨落非常敏感。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3 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

相关成果以Real-Time Observation of the Buildup of Soliton Molecules为题,发表在Physical Review Letters [121, 023905 (2018)] 上。浙江大学现代光学仪器国家重点实验室为第一作者单位,刘雪明教授为第一作者和通讯作者。该工作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。

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

视频补充材料链接:https://journals.aps.org/prl/supplemental/10.1103/PhysRevLett.121.023905