使用光纖激光器產(chǎn)生光孤子已為大家所熟知。光纖理論上應該是各項同性的，但由于制造工藝的限制、使用中的隨機應力產(chǎn)生等客觀條件，普通光纖一般都具有弱雙折射。標準單模光纖的雙折射長度在1550nm波長大概為1到10米。如果在光纖激光器中使用偏振相關器件比如起偏器，生成的孤子一般來說可以認為是標量孤子，即孤子偏振方向唯一。如果光纖激光器中沒有偏振相關器件，那么沿光纖的兩個偏振方向都是可以實現(xiàn)光孤子的，如果這兩個光孤子綁定在一起作為一個整體在光纖中傳播，我們就稱其為矢量孤子。其兩個分量的綁定可以通過中心波長的偏移產(chǎn)生的互相位調(diào)制補償雙折射導致的群速度差異來實現(xiàn)的。
標量孤子實際上是矢量孤子的一種簡化版本。矢量孤子的動力學特性才是激光器特別是光纖激光器中脈沖演變的真實再現(xiàn)。因此在理論研究中必須采用耦合的方程組來描述脈沖在光纖激光器中的演變過程而不能使用簡化的標量模型。1997年，S.Cundiff等人首次在線性腔光纖激光器中實現(xiàn)矢量孤子（S.Cundiffetal.,Opt.Express1,12-21(1997)）。2008年，新加坡南洋理工大學D.Y.Tang教授的研究小組成功解決了環(huán)形腔光纖激光器中無法產(chǎn)生矢量孤子輸出的難題，首次在環(huán)形光纖激光器中實現(xiàn)矢量孤子（L.M.Zhaoetal.,Opt.Express,vol.16,no.13,pp.9528-9533,Jun.2008），并在隨后的系列研究中揭示了矢量孤子的許多有趣的性質(zhì)，比如:1）偏振旋轉鎖定效應[L.M.Zhaoetal.,OpticsExpress,16,10053(2008)]。當矢量孤子的偏振狀態(tài)不鎖定時，其偏振狀態(tài)將在腔內(nèi)旋轉，如果旋轉的周期接近腔長時，該偏振狀態(tài)旋轉可以鎖定為腔長的整數(shù)倍。2）獨特的孤子間相互作用。在矢量孤子群中存在一種新奇的相互作用模式：組成矢量孤子群的矢量孤子之間可以存在不間歇往復運動[L.M.Zhaoetal.,OpticsExpress,17,8103(2009)]。3）不同類型的矢量孤子可以在激光器中共存[L.M.Zhaoetal.,OpticsLetters,34,3059(2009)]。偏振鎖定矢量孤子和偏振旋轉矢量孤子是兩種不同的矢量孤子，但實驗發(fā)現(xiàn)偏振鎖定矢量孤子和偏振旋轉矢量孤子可以同時存在于一個鎖模光纖激光器中。4)矢量孤子也可以在正常色散區(qū)形成[L.M.Zhaoetal.,OpticsLetters,35,1902(2010)]。
矢量孤子的產(chǎn)生是由于光纖的弱雙折射的存在，而光纖的弱雙折射是與波長無關的，因此在其它波段也應該可以觀測到矢量孤子在光纖激光器中的形成。江蘇師范大學的研究小組在工作波長為1950nm附近的摻銩光纖激光器中觀測到了矢量孤子的生成，如圖一所示。通過控制腔內(nèi)的平均雙折射，可以調(diào)節(jié)矢量孤子兩個分量之間的波長偏移。數(shù)值模擬很好的再現(xiàn)了實驗結果，如圖二所示。這一研究成果為在2um波段研究矢量孤子性質(zhì)奠定了基礎，有望擴展人們對矢量孤子的認識。
此項研究得到了國家自然科學基金委、江蘇省科技廳、江蘇省教育廳（江蘇省優(yōu)勢學科和江蘇省高校協(xié)同創(chuàng)新中心）的資助支持，由江蘇省先進激光材料與器件重點實驗室趙鷺明教授領銜的研究小組完成。目前，研究人員正在積極開展后續(xù)研究，希望可以揭示矢量孤子在2um波段的特性。
圖一矢量孤子的光譜圖
圖二數(shù)值模擬得到的矢量孤子光譜圖
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