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呼吸子激光

发布:opticseditor    |    2020-03-17 15:08    阅读:857
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孤子是一种在传输时不会发散的波包。呼吸子在传输过程中其大小会发生周期性变化。由于呼吸子和许多非线性现象有着内在关联,例如怪波,湍流,飓风,海啸等极端现象,引发学界的广泛关注。

此前,呼吸子的产生局限于能量保守系统,例如水波、单通光纤系统,冷原子等。然而大量现实世界的物理系统都是耗散系统,那呼吸子是否也可以在耗散系统里产生?飞秒激光器是一个典型的耗散系统,最近的理论模拟表明飞秒激光器可能可以产生呼吸子。然而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。

曾和平教授课题组首次确立了通用的、可靠的在激光器中激发呼吸子的方法。其中,非线性管理是激发呼吸子的关键。与传统飞秒激光器输出幅度一致的脉冲不同,呼吸子激光器输出的脉冲光谱,时域宽度和能量会周期性迅速改变。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。

图一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,这是指两个呼吸子离的很近的一种状态。当出现呼吸子分子的时候,光谱出现了一道道细纹,这是两个脉冲干涉的结果。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。

传统飞秒激光器输出的是能量均匀的脉冲序列即每道激光的能量一致。呼吸子激光器打破了这种能量均匀化分布,某些激光获得极高能量(以牺牲其它激光的能量为代价),这种极高能量的脉冲有望在非线性光学领域获得应用。有理由相信,呼吸子激光器的诞生会引起激光领域的极大兴趣,因为这是一种全新的激光工作模式。

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。该工作发表于Sci. Adv. 5, eaax1110 (2019).


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(c,d),进一步增强非线性时,孤子会出现。e,f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。

来源:华东师范大学

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