线性耦合—调控矢量孤子的新维度
2023-11-30

01导读

近日,西北工业大学赵建林、毛东课题组将线性耦合用于调控光纤激光器中的矢量孤子,发现周期频移呼吸孤子等新型脉冲,为矢量孤子带来新的调控维度。该工作在传统矢量孤子的非线性耦合模型基础上,引入了模间线性耦合效应。在实验中通过偏振控制器调整线性耦合的强度,激光脉冲可在稳态、呼吸态与混沌态之间灵活转换,并可操控偏振分量间的同步和异步运转,为智能化超快激光器和单腔双光梳提供新的理论依据和实验基础。

相关研究成果以“Emergent Phenomena of Vector Solitons Induced by the Linear Coupling”为题发表在Laser & Photonics Reviews上。

02研究背景

锁模光纤激光器可以产生周期性超短光脉冲序列,在激光加工、时频传递、光频梳测量和生物医疗等领域发挥重要作用。为了降低环境扰动对光脉冲的影响,锁模激光器通常由偏振不敏感光纤和器件构成。但普通单模光纤固有的线性双折射和脉冲偏振分量间的非线性耦合,使锁模孤子产生复杂的偏振演化特性,故此类脉冲被学界定义为矢量孤子,由耦合广义非线性薛定谔方程所描述。

在传统研究中,主要通过调节激光器平均双折射,获得不同偏振特性的矢量孤子,如偏振锁定孤子和群速度锁定孤子,此方法物理图像清晰,但能够产生的脉冲种类有限,在实验中难以定量调控,限制了超快激光的灵活性、稳定性和应用潜力。因此,需要寻找新型矢量孤子调控机理和方法。

03研究创新点

课题组成员通过分析激光腔内偏振控制器的琼斯矩阵,首次提出线性耦合是调控矢量孤子特性的关键因素,并建立了线性耦合系数可控、双折射固定的新型矢量孤子传输模型,揭示了线性耦合系数与矢量孤子特性的对应关系(图1)。


图1 (a)线性耦合矢量孤子激光器方案示意图,(b)偏振分量的互耦合强度与偏振控制器参数的关系,(c)矢量孤子类型与偏振控制器参数的对应关系

实验与仿真结果表明,激光脉冲特性取决于线性耦合系数,具体演化方式与正交分量的相位、延时和振幅等参数相关。当线性耦合强度较大时,偏振分量彼此产生快速能量交换,脉冲呈现随循环圈数快速演变的倍周期状态;当耦合强度在一定范围内时,激光脉冲可以演化为孤子分子、呼吸孤子和稳态孤子等稳健状态;在弱线性耦合条件下,偏振分量产生群速度失配,形成异步运转双脉冲、孤子爆炸或调制不稳定演化(图2)。


图2 不同耦合条件下的孤子特性:(a)稳态孤子,(b)呼吸子,(c)孤子,(d)孤子分子,(e)倍周期孤子

有趣的是,由于线性耦合、非线性耦合、增益、损耗和色散的共同作用,矢量孤子可以产生与传统脉冲迥异的涌现现象。例如,在线性耦合、交叉相位调制和增益滤波共同作用下,激光器输出呼吸态的矢量孤子,其实时光谱演化中出现明显的周期性红移条纹;由于线性耦合、可饱和吸收与模间色散的平衡,正色散腔中矢量孤子表现为反常孤子俘获现象,即慢轴分量蓝移,快轴分量红移,这与非线性耦合下的矢量孤子截然相反;在线性耦合引发的能量交换作用下,快轴和慢轴分量产生不相称的光谱形状和宽度,即偏振对称破缺。诸多新颖矢量孤子现象表明,线性耦合不仅可以用于调控脉冲特性,也为非线性激光系统带来丰富的瞬态孤子现象(图3)。


图3 线性耦合诱导呼吸孤子的实验结果(左列)和模拟结果(右列)。(a1,a2)脉冲光谱,(b1,b2)脉冲序列频谱,(c1,c2)脉冲整体光谱实时演化,(d1,d2)快轴模式光谱演化,(e1,e2)慢轴模式光谱演化

04总结与展望

本工作通过线性耦合与矢量孤子相结合,证明了锁模孤子具有新的调控维度,同时揭示了由模间相互作用引发的复杂涌现现象。在实验中,模间线性耦合系数可由偏振控制器进行灵活调控,实验和模拟结果证明矢量孤子特性依赖于线性耦合系数。在线性耦合作用下,矢量孤子可以产生全新的物理现象,如反常孤子俘获,周期性频移,偏振对称破缺,孤子爆炸等。本工作为后续基于可编程电动偏振控制器和机器学习的智能化超快激光提供了理论和实验基础。

论文第一作者为西北工业大学物理科学与技术学院杜岳卿副教授,毛东教授为论文的通讯作者。此研究工作得到了国家重点研发计划(2022YFA1404800)、国家自然科学基金(62105264,12274344)、陕西省自然科学基金(2021JC-09,2019JQ-447)和中央高校基本业务费(G2021KY05105,310202011QD003,3102019JC008,3102019PY002)的支持。

论文链接:https://doi.org/10.1002/lpor.202300076

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