超快激光孤子,因有瞬态而更美丽

罗智超

封面文章|魏志伟,刘萌,崔虎,罗爱平,徐文成,罗智超. 超快光纤激光器中孤子瞬态动力学特性研究进展[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(7): 070006

超快光纤激光器能够产生高峰值功率、宽光谱的超短脉冲,无论对于基础科学研究还是工业应用,都起到了不可或缺的作用,如在生物医学领域作为非线性光学成像系统的光源;又如,大能量短脉冲光纤激光器可以用来激光精细微结构加工。2018 年,诺贝尔物理学奖颁发给了超快激光的相关领域——啁啾脉冲放大(CPA)技术。

超快光纤激光器不仅具有重要的应用,同时还是一个优良的非线性光学系统平台,借助该平台可以用来观察多种非线性现象,如光孤子动力学等。

尽管各国激光物理学家对光纤激光孤子的非线性动力学特性开展了广泛的、卓有成效的研究,但是对光孤子频域和时域的精细测量普遍依靠商用光谱仪和自相关仪。由于仪器测量带宽或者响应速度的限制,所观察到的孤子非线性光学特性几乎都是非实时或多次平均的结果。因此,虽然理论预言了光孤子在传输过程中具有许多有趣和重要的瞬态动力学特性,但是在实验上却难于观察和验证。

最近,提出的色散傅里叶变换技术(Dispersive Fourier transformation, DFT)用来测量瞬态的,非重复的少概率事件,并成功应用于光学传感、光谱学、光学成像、生物医学等领域。也正是由于DFT技术的实时光谱测量特性,为超快光纤激光器中的孤子瞬态动力学特性研究开启了一扇大门。

DFT技术基本原理

DFT技术源于时空二元性,即光束经过透镜在远场区域的衍射类比于时间脉冲在色散元件中的传输。如果一个超短脉冲通过一个色散元件且该色散元件具有足够大的色散以满足时间远场条件,则脉冲的频域光谱信息将被映射到脉冲波形,拉伸后的光脉冲具有和光谱形状相同的强度包络,如图1所示。由于高速实时示波器拥有极高的扫描速率,所以结合示波器和DFT技术能够观察到实时的脉冲光谱瞬态特性,这就为我们研究少概率发生事件提供了一种优良的技术手段。


图1 DFT技术原理示意图

孤子瞬态动力学研究进展

借助DFT技术,超快光纤激光器中多种孤子瞬态动力学在实验上得到了揭示和验证,如孤子建立过程、动态孤子捕获、孤子脉动、孤子爆炸、多孤子相互作用以及光怪波等。下面将简单回顾近几年国内外孤子瞬态动力学研究进展。

孤子建立动力学

激光器锁模建立过程具有高度随机和非重复性。前期的工作主要集中在理论研究和时域观察。依赖DFT技术,锁模建立的瞬态过程的光谱演化特性近期得到了揭示。这些结果有助于我们更深刻的理解锁模建立过程的物理本质,同时也能够为激光器设计和应用提供新的见解。

2015年,香港大学K. K. Y. Wong教授课题组首次利用DFT技术实时观察到光纤激光器中传统孤子建立的瞬态特性,在研究锁模脉冲建立的瞬态过程中观察到了中心波长漂移现象。

随后,G. Herink等利用DFT技术在钛蓝宝石激光器中研究分析了克尔透镜锁模建立的瞬态过程,观察到光谱瞬态干涉结构这一有趣现象。

由于正色散和负色散区域的孤子整形机制不同,华南师范大学罗智超研究员题组分别搭建了净正色散和负色散两种不同类型的锁模光纤激光器,探索研究了耗散孤子和传统孤子锁模建立过程中的不同物理特征,其中耗散孤子建立过程如图2所示。研究人员发现,在建立过程中耗散孤子存在光谱呼吸行为,传统孤子则具有驰豫振荡现象。

此外,J. M. Dudley教授课题组、浙江大学刘雪明教授课题组和华东师范大学曾和平教授课题组也分别对耗散孤子建立过程的瞬态动力学特性进行了研究。


图2耗散孤子建立动力学

瞬态矢量特性

光纤激光器可以支持不同类型的矢量孤子传输,如孤子捕获、偏振锁定、偏振旋转等。

日前,华南师范大学罗智超研究员课题组利用DFT技术观察了群速度锁定矢量孤子和偏振旋转矢量孤子的偏振分量实时光谱特性,并揭示了矢量孤子的动态捕获特性。对于群速度锁定矢量孤子,它的两偏振分量中心波长保持不变;而偏振旋转矢量孤子的两偏振分量则可以通过动态改变中心波长实现孤子捕获,称之为“动态孤子捕获”。

随后,Ph. Grelu教授课题组报道了非相干耗散孤子的瞬态矢量特性,并且在研究偏振旋转动力学过程中发现孤子爆炸效应和怪波的出现,进一步推动了孤子瞬态矢量特性研究的发展。

脉动孤子

在耗散系统中,当增益和损耗不完全平衡时,孤子可以具有脉动行为,即脉冲形状、宽度或振幅可以周期性地演化。脉动孤子的发现进一步丰富了孤子家族,同时对它的研究也有助于更好地理解孤子物理特性和优化激光器性能。

2018年,南开大学王志教授课题组和华中科技大学舒学文教授课题组分别报道了负色散和正色散光纤激光器中脉动孤子的光谱实时演化特性,可以更好地理解脉动孤子演化过程中的物理特性。

理论证明孤子在脉动过程中可能伴随着混沌现象?;鲜Ψ洞笱拗浅芯吭笨翁庾槔肈FT技术在光纤激光器中验证了该理论预言,如图3所示。研究人员发现,脉动过程中混沌状态的出现,会导致周期性演化地光谱突然坍塌。这些实验结果有利于加强对脉动孤子动力学和混沌动力学的理解。


3 具有混沌行为的脉动孤子

孤子爆炸

孤子爆炸是激光器中最有趣的一种耗散结构之一。它的典型特征是:准稳态的孤子在腔内运转时突然经历结构性坍塌,但随后又能回复到原来的状态,等待下一次爆炸的发生。

2015年,A. F. J. Runge等利用DFT技术首次观察到光纤激光器中孤子爆炸的瞬态现象,发现孤子爆炸伴随着拉曼散射。

2017年,清华大学肖晓晟、杨昌喜教授团队报道了持续时间可调的孤子爆炸。

2018年,华南师范大学罗智超研究员课题组和香港大学K. K. Y. Wong教授课题组合作,报道了在多孤子状态下运行的超快光纤激光器中孤子爆炸的研究。该实验证明,通过掺铒光纤瞬态增益响应调节的孤子相互作用,一个孤子的爆炸可以诱导另一个孤子的爆炸的发生,并把这种孤子爆炸称之为“互相点燃孤子爆炸”。


4 “连续孤子爆炸状态的实时光谱

多孤子动力学

多孤子状态是激光器中一种普遍的工作模式。典型的多孤子状态有孤子分子,孤子雨和孤子束等。孤子分子动力学是目前的研究热点之一。利用DFT技术可以获得孤子分子的实时干涉光谱,从而研究孤子分子内部的时间间隔和相对相位演化瞬态特性。

2017年,G. Herink等在Science期刊上报道了利用DFT技术观察了飞秒孤子分子的实时干涉光谱探究孤子分子的形成和内部动力学特性。几乎同时,Ph. Grelu教授课题组利用DFT技术实时观察了耗散孤子分子的不同内部运动特征。

2017年,香港大学K. K. Y. Wong教授课题组报道了多脉冲锁模的光谱-时间动力学,观察到几种不同动力学,如:自相位调制引起的光谱展宽、波长漂移、光谱干涉等。

2018年,浙江大学刘雪明教授课题组、华东师范大学曾和平教授课题组和中科院李明教授课题组分别对多孤子建立动力学进行了报道。

除了多孤子建立动力学,中科院西安光机所Guomei Wang等研究了双脉冲失锁的瞬态演化过程,发现双脉冲可以同时消失,也可以一个接一个的消失。这些工作有助于更好的理解多孤子锁模光纤激光器的动力学特性。

类噪声脉冲和怪波

光怪波是非线性光学领域的一个研究热点。光纤激光器中光怪波的产生可能和混沌多孤子模式下的孤子相互作用有关。而类噪声脉冲作为一类局部混沌的多脉冲波包,它内部随机演化的特性为光怪波的产生提供了条件。

2014年,A. F. J. Runge等利用DFT技术在类噪声模式下观察到拉曼怪波。同年,Lecaplain等证实之前在类噪声模式下未能观察到光怪波是由于光电探测器带宽的限制,并利用DFT技术探测到光怪波。

2015年,康奈尔大学F. Wise课题组报道了基于DFT技术的正色散掺镱光纤激光器中光怪波形成的实验观察。除了混沌多孤子波包内的孤子相互作用会诱导光怪波的产生,光纤激光器内还有其他物理机制同样会影响光怪波的出现。

2016年,华南师范大学罗智超研究员课题组利用DFT技术在孤子爆炸过程中探测到光怪波的出现,该结果首次将孤子爆炸与光怪波联系起来,加深了对光怪波和孤子爆炸动力学的理解。

此外,研究人员还在耗散孤子建立过程中观察到了怪波的出现。这些工作为光怪波产生的物理机制提供了新的见解。

结束语

DFT实时光谱测量技术突破了传统电子测量仪器对超快现象实验观察的局限,为研究超快光纤激光器中的孤子瞬态动力学特性提供了有效的手段,也极大地激发了研究人员探索和挖掘光纤激光器中新型孤子瞬态非线性现象的热情。

事实上,对孤子瞬态动力学特性的研究不仅有利于揭示孤子的物理本质,同时,通过揭示孤子物理特性,也能够为超快光纤激光器性能优化提供借鉴并拓展其应用。也就是说,孤子动力学特性研究将为超快激光技术的发展提供源动力,而超快激光技术的发展必将带动新型孤子动力学特性的探索,两者相辅相成,共同推动超快激光技术领域的发展。