近日，华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室曾和平教授课题组在超快激光领域取得重要进展，该团队首次实现了一种被称之为“呼吸子”的超快激光脉冲。研究成果“Breathing dissipative solitons in mode-locked fiber lasers”于2019.11月Science Advances上。该论文以华东师范大学为第一完成单位。曾和平教授为论文唯一通讯作者，彭俊松研究员为第一作者。

孤子是一种在传输时不会发散的脉冲。而与之不同的是，呼吸子在传输过程中其大小会发生周期性剧烈变化。传统飞秒激光器输出的是能量均匀的脉冲序列。呼吸子激光器可以打破这种能量均匀化分布，使得某些脉冲获得极高的能量，因此呼吸子激光器有望成为新一代高能量超快激光光源。

此外，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。虽然呼吸子在20年前就被理论预言 (Phys. Rev. Lett. 85, 2937 2000)，但是其一直未被实验证实。实验上产生呼吸子的难点在于理论模型过于简化，很难与复杂的飞秒激光系统相联系。此外，呼吸子在纳秒量级快速变化，传统探测技术响应时间在毫秒量级，根本无法探测到呼吸子。

阈值是描述激光器动力学的重要物理量。经典教科书(A. Siegman,《Lasers》, (1986))认为锁模激光器有两个泵浦阈值，第一阈值(First threshold)和第二阈值(Second threshold)。当泵浦达到第一阈值时，激光器产生连续光。当泵浦达到第二阈值时，激光器会锁模，输出超短脉冲。曾和平教授课题组首次发现正是在这两个阈值之间可以产生呼吸子，进而首次确立了通用的、可靠的在激光器中激发呼吸子的方法。他们发现非线性管理是激发呼吸子的关键，特别地，激发呼吸子需要降低非线性效应。利用快速探测方法-色散傅里叶变换法，该团队实验上首次揭示了呼吸子的光谱和时域实时演化动力学特性。

图1：呼吸子高速演化动力学。A,B分别是呼吸子的光谱和时域的周期性演化。横坐标是距离。随着距离的增加可以看出呼吸子的光谱和时域均出现周期性变化。当增强非线性时，呼吸子的这种周期性变化会变弱（D,E），进一步增强非线性时，孤子会出现。G,H是孤子的光谱和时域，由图可以看出这两个参量在传输过程中均保持不变。

图1清晰地展示了呼吸子的光谱和时域宽度随着传播距离呈现周期性变化，并表明增加非线性会使得激光从呼吸子变成孤子。此外，该团队还报道了呼吸子分子（Breather molecule），这是指两个呼吸子离的很近束缚在一起的状态。

图2：呼吸子分子动力学。如A所示，这里的光谱由一根根精细的线条构成，这表明时域上有两个脉冲正如图C所示。此外光谱随着距离（纵坐标）周期性地变宽变窄，表明这是呼吸子分子。图C从时域上更直观地展现呼吸子分子的周期性变化。

图2展示了呼吸子分子的动力学特性，此时光谱出现了一道道细纹，这是两个脉冲干涉的结果。图2C清晰地展示了两个脉冲的幅度在传输时，同时变强变弱，像一个整体一样。呼吸子分子的发现表明物质分子这一概念不仅适用于孤子，也可以拓展到呼吸子领域。

飞秒激光器是典型的朗道方程描述的普适系统，因此该工作也会在其它相关领域获得广泛关注。特别地，该研究将推动呼吸子和呼吸子分子在等离子物理、原子分子物理、海洋学、化学等领域的研究。

近年来，曾和平教授团队在超快激光领域进行了一系列研究。揭示了单孤子和孤子分子的形成动力学[Commun. Phys., 1(20), 2018; Laser & Photon. Rev. 12 (8), 1800009, 2018]；发现一种孤子爆炸的新机制-孤子碰撞[Commun. Phys., 2 (34) 2019]；研究了呼吸子的爆炸动力学[Phys. Rev. Appl. 12, 034052 (2019)]；提出并证明了一种超快激光器的新的增益机制-自参量放大[Phys. Rev. Appl. 11, 044068 (2019)]。这项工作得到了科技部、国家自然科学基金委以及上海市科委的资助。

论文链接：https://advances.sciencemag.org/content/5/11/eaax1110