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華東師大科學(xué)家首次捕捉會(huì)“呼吸”的激光

來源:精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2019-11-13 我要評(píng)論(0 )   

曾和平教授(左)與彭俊松副研究員華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曾和平教授課題組在超快激光領(lǐng)域取得重要進(jìn)展,

曾和平教授(左)與彭俊松副研究員

華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曾和平教授課題組在超快激光領(lǐng)域取得重要進(jìn)展,該團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了一種被稱之為“呼吸子”的超快激光脈沖。

研究成果“Breathing dissipativesolitons in mode-locked fiber lasers”于2019.11月發(fā)表于《科學(xué)》(Science)雜志子刊Science Advances上。該論文以華東師范大學(xué)為第一完成單位,英國阿斯頓大學(xué)為合作單位。曾和平教授為論文唯一通訊作者,彭俊松副研究員為第一作者。

《科學(xué)》子刊刊登曾和平教授課題組研究成果

超快激光脈沖的發(fā)散匯聚 即“呼吸”

光孤子一直是非線性光學(xué)研究前沿,它是光束在傳播過程中由非線性效應(yīng)平衡衍射/色散效應(yīng)的結(jié)果,通俗來說,孤子是一種在傳輸時(shí)不會(huì)發(fā)散的波包。而與之不同的是,呼吸子在傳輸過程中其大小會(huì)發(fā)生周期性變化(周期性地發(fā)散再匯聚),好像人在不斷地呼氣(發(fā)散)、吸氣(匯聚)的過程。

由于呼吸子這種非線性波和許多非線性現(xiàn)象有著內(nèi)在關(guān)聯(lián),有助于理解例如怪波(rogue wave),湍流,颶風(fēng),海嘯等極端現(xiàn)象,引發(fā)學(xué)界的廣泛關(guān)注。

此前,呼吸子的產(chǎn)生局限于能量保守系統(tǒng),例如水波、單通光纖系統(tǒng)。然而大量現(xiàn)實(shí)世界的物理系統(tǒng)都是耗散系統(tǒng),那呼吸子是否也可以在耗散系統(tǒng)里產(chǎn)生?

該課題組注意到飛秒激光器是一個(gè)典型的耗散系統(tǒng),最近的理論模擬表明飛秒激光器可能可以產(chǎn)生呼吸子。然而實(shí)驗(yàn)上產(chǎn)生呼吸子的難點(diǎn)在于理論模型過于簡化,很難與復(fù)雜的飛秒激光系統(tǒng)相聯(lián)系。此外,呼吸子在納秒量級(jí)快速變化,傳統(tǒng)探測技術(shù)響應(yīng)時(shí)間在毫秒量級(jí),根本無法探測到呼吸子。

文章第一作者彭俊松指導(dǎo)本科生參與科研項(xiàng)目

揭示呼吸子和呼吸子分子的“面貌”

曾和平教授課題組首次確立了通用的、可靠的在激光器中激發(fā)呼吸子的方法。其中,非線性管理是激發(fā)呼吸子的關(guān)鍵。與傳統(tǒng)飛秒激光器輸出幅度一致的脈沖不同,呼吸子激光器輸出的脈沖光譜,時(shí)域?qū)挾群湍芰繒?huì)周期性迅速改變。

利用快速探測方法-色散傅里葉變換法,該團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)上首次揭示了呼吸子的光譜和時(shí)域?qū)崟r(shí)演化動(dòng)力學(xué)特性。

圖1:呼吸子高速演化動(dòng)力學(xué)。A,B分別是呼吸子的光譜和時(shí)域的周期性演化。橫坐標(biāo)是距離。隨著距離的增加可以看出呼吸子的光譜和時(shí)域均出現(xiàn)周期性變化。當(dāng)增強(qiáng)非線性時(shí),呼吸子的這種周期性變化會(huì)變?nèi)酰―,E),進(jìn)一步增強(qiáng)非線性時(shí),孤子會(huì)出現(xiàn)。G,H是孤子的光譜和時(shí)域,由圖可以看出這兩個(gè)參量在傳輸過程中均保持不變。

圖一清晰地展示了呼吸子的光譜和時(shí)域?qū)挾入S著傳播距離呈現(xiàn)周期性變化,并表明增加非線性會(huì)使得激光從呼吸子變成孤子。此外,該團(tuán)隊(duì)還報(bào)道了呼吸子分子(Breather molecule),這是指兩個(gè)呼吸子離的很近的一種狀態(tài)。

圖2:呼吸子分子動(dòng)力學(xué)。如A所示,這里的光譜由一根根精細(xì)的線條構(gòu)成,這表明時(shí)域上有兩個(gè)脈沖正如圖C所示。此外光譜隨著距離(縱坐標(biāo))周期性地變寬變窄,表明這是呼吸子分子。圖C從時(shí)域上更直觀地展現(xiàn)呼吸子分子的周期性變化。

圖二展示了呼吸子分子的動(dòng)力學(xué)特性,此時(shí)光譜出現(xiàn)了一道道細(xì)紋,這是兩個(gè)脈沖干涉的結(jié)果。圖二C清晰地展示了兩個(gè)脈沖的幅度在傳輸時(shí),同時(shí)變強(qiáng)變?nèi)?,像一個(gè)整體一樣。呼吸子分子的發(fā)現(xiàn)表明物質(zhì)分子這一概念不僅適用于孤子,也可以拓展到呼吸子領(lǐng)域。

傳統(tǒng)飛秒激光器輸出的是能量均勻的脈沖序列即每道激光的能量一致。呼吸子激光器打破了這種能量均勻化分布,某些激光獲得極高能量(以犧牲其它激光的能量為代價(jià)),這種極高能量的脈沖有望在非線性光學(xué)領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

有理由相信,呼吸子激光器的誕生會(huì)引起激光領(lǐng)域的極大興趣,因?yàn)檫@是一種全新的激光工作模式。飛秒激光器是典型的朗道方程描述的普適系統(tǒng),因此該工作也會(huì)在其它相關(guān)領(lǐng)域獲得廣泛關(guān)注。特別地,該研究將推動(dòng)呼吸子和呼吸子分子在等離子物理、原子分子物理、海洋學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域的研究。

近年來,曾和平教授團(tuán)隊(duì)在超快激光領(lǐng)域進(jìn)行了一系列研究。揭示了單孤子和孤子分子的形成動(dòng)力學(xué)[Commun. Phys., 1(20), 2018;Laser & Photon. Rev. 12 (8), 1800009, 2018];發(fā)現(xiàn)一種孤子爆炸的新機(jī)制-孤子碰撞[Commun. Phys., 2 (34) 2019];研究了呼吸子的爆炸動(dòng)力學(xué)[Phys. Rev. Appl. 12, 034052 (2019)];提出并證明了一種超快激光器的新的增益機(jī)制-自參量放大[Phys. Rev. Appl. 11, 044068(2019)]。這項(xiàng)工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委以及上海市科委的資助。

文稿:精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 呂安琪

 

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超快激光脈沖超快激光飛秒激光器
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