光学青年| 庞盟研究员：从单脉冲到多脉冲，对光孤子动力学的研究更进一步
本文为中国激光第1991篇。
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本期嘉宾：
2014年，在德国马普光科学研究所，作为博士后的庞盟博士在马普光科学研究所所长、美国光学学会主席Philip Russell教授的领导下，从事锁模光纤激光器中高频声光相互作用的研究工作，对如何在光学谐振腔中产生超高重频的激光脉冲进行实验研究。此时，这一课题已进行了超过一年时间，庞盟博士遇到了一个非常棘手的问题：之前对于声光相互作用（布里渊效应）的研究都是在频域上进行建模分析，但经典的频域模型在解决激光器中多孤子相互作用问题时却遇到了困难——超快光孤子在形成后光谱很宽，其频域上的频谱成分构成复杂，无法用已有的频域模型进行理论分析。这一问题一度困扰了庞盟博士很久。
引入时域，在多孤子脉冲调控研究中取得创新
2014年的一天，庞盟博士在与Russell教授的讨论中提出：“既然频域行不通，是否可以考虑建立时域模型，分析超快脉冲与高频声场的耦合问题呢？”虽然这是一个突破常规的想法，却很快得到了Russell教授的支持。同时，这项研究也存在着很大的风险——分析光场和声场相互作用的时域模型还从来没人提出过。虽然顶着“第一个吃螃蟹”的压力，但他们最终将这件事情做成了，建出了一个在物理上简单、漂亮的模型，成功解释了锁模激光器中超快脉冲与高频声场作用与反作用机理，并在实验上率先实现了对光纤激光器中大量光孤子脉冲的稳定限制和选择性操控。
这一研究在声光相互作用领域也算是一点小小的创新，也为庞盟博士在光孤子动力学领域的进一步研究拓宽了广阔的空间。2015年之后，他开始在德国马普光科学研究所建立科研团队，开展高重频超快光纤激光、微结构光纤中声光相互作用、以及锁模激光器孤子动力学方向的研究，并取得一系列的前沿研究成果。2019年，庞盟博士带领的研究小组实现了对锁模光纤激光器里大量脉冲的稳定控制，通过强弱相互作用的配合，产生大尺度超分子结构光场。这种光学超分子结构是非线性光学系统的一系列稳态解，可使得光孤子序列信号在超长距离传输中克服噪声积累效应。
光孤子动力学是当前非线性光学领域的前沿研究方向
如何形成单脉冲或多脉冲的孤子稳态或亚稳态，是近期非线性光学的一个热点研究方向；时域展宽的色散傅里叶变换技术(Time-stretched dispersive Fourier transformation technique，TS-DFT)是研究锁模光纤激光器中脉冲动力学过程和解决脉冲不稳定性的关键技术。
尤其在最近5年，对光孤子单脉冲的稳定性研究趋向成熟，逐渐从单脉冲扩展至对于双脉冲与多脉冲相互作用现象的研究。当激光器内的光能量被不断推升时，会发生孤子不稳定性现象，如孤子分裂、孤子爆炸，在激光器中产生复杂的非线性现象。如何避免孤子不稳定性现象发生，从而使激光器的能量继续推升，将在超快激光技术领域具有良好的应用前景。同时，研究在较强非线性条件下，锁模激光器内超快脉冲动力学过程也引起的非线性光学领域的极大兴趣。
早在20世纪八九十年代，科学家们对激光脉冲动力学过程和脉冲间相互作用进行了大量的理论和实验研究，但受限于传统激光光谱与超快时域波形测量技术（常用的光谱分析仪和自相关仪都是平均测量方法），无法对超快激光的孤子动力学过程和孤子间相互作用过程进行实时、准确的测量。因此，很多理论预测与模拟仿真结果都无法在实验上加以验证。
21世纪，随着TS-DFT技术的发展，研究人员可以运用这一先进的测量技术，观测孤子动力学过程中的超快脉冲瞬态的光谱演化，这使得超快激光孤子动力学与脉冲相互作用研究得到了大量的关注，迅速成为了非线性光学领域的研究热点。研究人员将超快光脉冲通过色散光纤，由于超快脉冲拥有一定的频谱宽度，通过较长的色散光纤后，脉冲会因为较大的群速度色散在时域上被拉伸，从而将脉冲的光谱信息映射到拉伸后脉冲的时域波形上。再通过宽带示波器就可实现在时域上对每个脉冲的光谱进分析，最终实现对超快脉冲的瞬态光谱测量。
2016年，Herink，Jalali和Solli等利用TS-DFT技术，在约90兆赫兹频率下，直接观察到钛宝石激光器中克尔透镜锁模脉冲建立的瞬态过程,并观察到光谱瞬态干涉结构这一现象。这项研究触发了学术界对激光孤子动力研究的浓厚兴趣。（G. Herink, et al., Nature Photonics 10, 321, 2016）
2017年，Herink, Jalali和Solli等又报道了利用TS-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，这一研究进一步把TS-DFT技术的应用范围从孤子动力学研究拓展到了孤子间相互作用研究。（G. Herink, et al., Science 356, 50, 2017）
在国内，浙江大学刘雪明教授课题组，华东师范大学曾和平教授、彭俊松教授课题组，华南师范大学罗智超教授课题组，香港大学Kenneth Wong教授课题组等，均在光孤子动力学与脉冲间相互作用领域有着深入的研究。
站在巨人的肩膀上，追求“科学品位”
光孤子动力学研究变得热门之后，庞盟博士也对这一领域的未来进行了一些思考，利用光孤子进行信息传输、信息存储、信息计算等，在未来信息技术领域具有广阔的应用前景。未来，他希望能进一步研究大量脉冲相互作用的物理问题，并发展利用光孤子进行信息传输、存储与计算的前沿技术，拓宽自己的研究方向和研究空间。
在国外学习工作多年，庞盟博士渐渐意识到了在国外做研究对于自身发展的局限性。2019年，他毅然选择了回国发展。回国之后，他将在激光孤子动力学研究的基础上，拓展在中红外超快光纤激光与微结构光纤技术等领域的前沿研究方向。另外，在非线性激光波长转换、单频激光与光频梳、微结构光纤传感与成像等领域上，庞盟博士也有一些长期的研究计划。
现在，庞盟博士一方面还在整理之前在德国马普光科学研究所的研究工作，另一方面正在紧张地搭建新的实验平台，开展孤子动力学、超快光纤激光器、以及布里渊单频激光器等方面的研究。目前一些课题刚刚起步，另一些课题已取得了一些初步的进展，但他希望可以做得更深入一些。
庞盟博士追求精益求精的“科研品位”，这得益于他人生中几位导师对他的悉心培养。
清华读硕士时，庞盟博士师从廖延彪教授，他是我国光纤传感领域的创始人。在清华参与863课题期间，庞盟博士主要研究高灵敏度声波与地震波光纤传感器，廖延彪教授所追求的“做有应用的科研”理念对庞盟博士影响很大，在后来从事一系列前沿研究时，他都会思考这些前沿热门的技术是不是在未来具有实用前景。
在博士阶段，庞盟博士师从香港理工大学靳伟教授，研究内容偏向基础前沿，研究基于特种微结构光纤的传感器和光器件。作为博士生，他在靳伟老师的悉心指导下学会了从事前沿研究的一系列能力，例如实验构思、理论建模、数据分析以及高水平文章写作等，为他日后的科研生涯打下了坚实的基础。
之后，庞盟博士又在加拿大渥太华大学鲍晓毅院士课题组以及后德国马普光科学研究所Russell学部开展研究工作，进一步拓展了其研究视野，并慢慢形成了他目前的研究方向。在国外的留学与工作经历中，指导过庞盟博士的几位导师认真、执着的科研态度，以及追求卓越的科研品位深深影响了他。
作为中国激光杂志社的审稿人，加入青编委是我的荣幸
在庞盟研究员加入青编委队伍之前，他已经是中国激光杂志社的一名审稿人了，曾为《光学学报》、Chinese Optics Letters审过稿件。
在国外期间，庞盟博士主要关注Photonics Research这本英文刊物。新刊Advanced Photonics出来后，也成为了他的重点关注对象。庞盟研究员认为Advanced Photonics这本刊里面发表的论文质量很高，是他每月必看的光学期刊之一。
了解到自己能够成为中国激光杂志社青编委的一员时，庞盟研究员非常开心。他认为中国激光杂志社一方面提供了一个非常好的交流平台，让他能够认识更多国内优秀的青年学者；另一方面，他希望能有机会通过青编委这一平台，为中国光学期刊和光学技术的发展贡献自己的一份力量，也希望自己做的科研工作能得到更多业内学者的认可。
代表性论文:
1．M. Pang*(通讯作者), W. He, X. Jiang and P. St.J. Russell, “All-optical bit storage in a fibre laser by optomechanically bound states of solitons”, Nature Photonics 10, 454-458 (2016).
2．W. He, M. Pang*(通讯作者), D. H. Yeh, J. Huang, C. R. Menyuk, and P. St.J. Russell, “Formation of optical supramolecular structures in a fibre laser by tailoring long-range soliton interactions”, Nature Communications 10, 5756 (2019).
3．M. Pang*(通信作者), X, Jiang, W. He, G. Wong, G. Onishchukov, N. Y. Joly, G. Ahmed, C. R. Menyuk, and P. St.J. Russell, “Stable subpicosecond soliton fiber laser passively mode-locked by gigahertz acoustic resonance in photonic crystal fiber core”, Optica 2, 339 (2015).
4．W. He, M. Pang*(通讯作者), C. R. Menyuk, and P. St.J. Russell, “Sub-100-fs 1.87 GHz mode-locked fiber laser using stretched-soliton effects”, Optica 3, 1366 (2016).
5．J. Huang#, M. Pang#(共同一作), X. Jiang, F. Kottig. D. Schade, W. He, M. Butryn, and P. Russell, “Sub-two-cycle octave-spanning mid-infrared fiber laser”, Optica, 7, 574 (2020).
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