Laser & Photonics Reviews :“隐形”孤子脉动

孤子脉动是超快光纤激光器中一种有趣的非线性动力学现象,通常表现为周期性振荡的局域结构。之前,实验中的孤子脉动普遍是通过示波器或射频谱仪展示出的孤子能量脉动来判定的。理论上来讲,除此之外孤子脉动还可以有其它的形式,如在能量保持不变的情况下,形状和峰值功率等其他孤子参数发生脉动。然而,这类孤子脉动无法直接由传统的测量仪器进行观测,这是因为常规光谱仪工作在平均测量模式,而示波器由于带宽的限制通常探测到的是孤子能量(即这时示波器测到的脉冲序列是稳定的)。鉴于此,这类孤子脉动可以被称为“隐形”的孤子脉动。事实上,超快光纤激光器输出脉冲的任何瞬态不稳定性对其应用都是有害的。例如,将工作在“隐形”孤子脉动状态下的激光器作为脉冲放大系统的种子源,种子脉冲峰值功率的波动将被大大增强,使输出激光脉冲性能劣化。因此,探索“隐形”的孤子脉动现象将对超快激光领域产生重要的意义。

色散傅里叶变换技术可以将相干局域光波的光谱信息映射到时域波形上,因此可以作为一种实时光谱测量技术用于超快光纤激光器中孤子动力学过程的测量和研究中。至今为止,研究人员利用色散傅里叶变换技术对多种孤子动力学过程开展了研究并取得了重要进展,如孤子爆炸、孤子分子等。

华南师范大学徐文成教授、罗智超研究员课题组利用色散傅里叶变换技术首次在超快光纤激光器中观察到了一种新型孤子脉动,即“隐形”孤子脉动。该类型的脉动具有如下特征:孤子能量基本保持不变,孤子形状和峰值功率随时间周期性脉动。当用传统的测量仪器观测时,“隐形”孤子脉动表现和稳定孤子一致,无法对两者进行区分。当利用色散傅里叶变换技术观察“隐形”孤子脉动的实时光谱演化过程时,可以明显看到随时间剧烈变化的光谱,证实“隐形”孤子脉动可以通过色散傅里叶变换技术的巧妙运用实现可视化。我们知道,孤子光谱和时域的变化是相互关联的。由此可知,光谱的形状和带宽的周期性变化是由孤子峰值功率的变化导致的。此外,在光谱上可以同时观察到两种类型的边带,一类为Kelly边带,在脉动过程中只发生强度变化;另一类是由基于参量过程的四波混频效应产生的边带,在脉动过程中波长和强度同时发生变化。通过调节激光器参数,还观察到了不同周期的孤子脉动,证明该现象是超快光纤激光器的一种本质特性。数值模拟的结果与实验结果吻合得很好,进一步揭示了孤子时域的精确演化过程:孤子形状、峰值功率、脉宽等随时间周期性地改变。

研究者相信,此项研究将会为研究耗散光学系统中孤子的复杂非线性行为提供新思路,并丰富了超快激光实际应用的可靠性测量手段。这些结果将有望引起非线性光学和超快激光技术领域的广泛兴趣。相关论文在线发表在Laser & Photonics Reviews (DOI: 10.1002/lpor.201900317)上,第一作者为华南师范大学的刘萌博士,并选为当期Inside Cover做简要介绍。