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专家视点
耗散孤子分子是研究非线性光学问题复杂性的重要手段，因为它们可以与物质分子进行映射，从而进行跨学科的类比。与强束缚孤子分子之间具有短时间分离的松散束缚孤子分子相比，具有长数量级分离的弱束缚孤子分子的复杂动力学和潜在的结合机制仍然是一个悬而未决的问题。在此，Yang等人通过利用色散时间干涉仪来探索锁模光纤激光器中松散束缚孤子分子的动力学，并揭示其潜在的相位演变机制。色散时间干涉仪通过创建松散束缚孤子分子的副本，使其单个孤子之间的时间间隔更近，从而实现其演变的实时条纹分辨光谱。松散束缚孤子分子相位的实时演化表现为发散的滑动景观，理论和实验证明这与增益动力学密切相关。在了解其相位动态的基础上，研究人员演示了通过增益控制实现松散束缚孤子分子的可编程相位编码调制。这项研究不仅有助于理解松散束缚孤子分子中远程相互作用的机制，而且为全光信息处理提供了另一种方法。该工作发表在APL Photonics上。
Yang Yang, Wei Lin, Yuan-Kai Guo, Xu Hu, Hai-Jiao Xu, Dong-Dan Chen, Xiao-Ming Wei and Zhong-Min Yang. Phase-encoding of loosely bound soliton molecules. APL Photonics 9: 031305 (2024).
耗散光孤子作为一种特殊的局域波包，产生于能量增益和损失之间的平衡以及色散和非线性之间的平衡，是研究非线性光学中的一个有趣的问题。光纤激光器中的锁模是产生耗散孤子的有效平台，根据面积定理，过量的泵浦功率会产生多个孤子在激光腔中共存，并产生耗散孤子分子——物质分子的光子对应物。从光-物质类比的角度来看，散孤子分子表现出类似的分子振动，这可以将一般的概念从化学扩展到光学。除了跨学科问题所激发的基本兴趣外，作为有序孤子，散孤子分子在基本光物质研究和全光信息处理方面显示出潜在的应用。为了精确地控制跨学科研究中散孤子分子的行为，有必要揭示其潜在的结合机制，以便按需操纵其动力学。到目前为止，根据散孤子分子中孤子之间的时间间隔，研究人员提出了两类孤子相互作用力，即短程和远程相互作用，它们分别负责形成强束缚孤子分子和松束缚孤子分子。孤子之间的时间重叠使得非线性效应介导的直接相互作用成为可能，而这种类似的强共价键导致了内部相位相关，这已经被时间平均光谱或单次光谱证实。然而，对于松束缚孤子分子，边界之间的时间间隔较长。孤子通常比强束缚孤子分子大几个数量级，导致间接相互作用，这些相互作用可能源于不同的来源，例如，增益损耗、光声效应、色散波辐射或噪声连续波这些不同的起源导致了对理解松束缚孤子分子的潜在机制和精确运转的开放性问题。具体来说，松束缚孤子分子的弱相位相关性导致使用标准测量技术产生条纹无法分辨的光谱演变，阻止了松束缚孤子分子复杂动力学的分解。
图1(a)概述了实验装置，其中包含用于生成松束缚孤子分子和色散时间干涉仪的锁模光纤激光器。用于测量松束缚孤子分子动力学的条纹分辨光谱演化的锁模光纤激光器基本重复率为8.55 MHz。首先，生成松束缚孤子分子包括两个孤子在同一往返，也就是说，孤子1和孤子2（左上角插图），通常有一个时间的分离ΔT>600 ps。为了产生松束缚孤子分子，泵浦被调整，呈现脉冲分裂。同时，通过控制入射泵浦功率，可以控制增益饱和程度，从而产生具有不同时间间隔的松束缚孤子分子。然后，将生成的松束缚孤子分子发射到Mach-Zehnder干涉仪中，组装两组时间延迟更接近的松束缚孤子分子，即松束缚孤子分子的尾孤子与复制松束缚孤子分子的前导孤子位置接近，如图1(b)所示。与通过色散时间干涉仪之前的测量相比，即图1(b)的左面板，τ的时间间隔减少相应产生具有更大光谱间距的光谱条纹，可以通过色散时间干涉仪光谱测量，即图1(b)的右面板。色散时间干涉仪的光谱分辨率约为0.05 nm，对应于使用色散补偿光纤的群延迟色散为−760 ps/nm。
在实验研究之前，首先通过考虑动态增益对松束缚孤子分子的平衡进行了分析研究。先前的研究表明，可饱和增益在锁模光纤激光器的脉冲整形和呼吸动力学中起着重要作用，而这里，重点关注的是其动态特性，它体现了松束缚孤子分子上的增益损耗和恢复(图2)。
在这种情况下，松散束缚孤子分子上的平均增益平衡了腔内损耗，即
在实验中，研究人员研究了通过实时示波器和DTI测量的时间间隔ΔT
受增益/泵浦可控时间分离和相对相位的启发，对松束缚孤子分子动力学的相位编码进行研究具有重要意义。为此，研究人员将方波调制应用于泵浦，并测量了进化，如图4所示。
在调制周期约为1.2 ms时，相对相位的演变表现出明显的斜率变化，这是由泵浦上的方波调制造成的，与时间分离形成鲜明对比。注意，泵浦功率较低时，非平衡状态下的斜率m几乎是其7倍大(即m=0.19)，超过了稳态状态下的斜率m(通常为0.03-0.06)。这是因为在长期增益弛豫过程中出现了相对相位的额外变化随后，利用滑动相位演化实现了多字母相位编码，如图5所示。图5(a)描述了由编程的电子信号驱动的光谱干涉的演变。为了产生“1”和“0”的二元状态，分别利用了泵浦上层和下层的松束缚孤子分子，它们具有相演化的小斜率和大斜率，如相互作用空间中的不同轨迹所示，即图5(b)。根据使用ASCII字母(例如，N=01 110)的5位编码策略，展示了松束缚孤子分子的相位编码。然后通过相对相位检索协议精确读取该信息，并通过显示斜率变化模式进行识别，如图5(c)所示。
总之，研究人员通过探索色散时间干涉仪光谱和通过可编程泵浦控制进一步实现相位编码来测量松散束缚孤子分子的动力学。色散时间干涉仪光谱可以提取松束缚孤子分子的相位信息，从而实时揭示增益动态(即增益损耗和恢复)导致的相位演化发散滑动。利用这些固有特性，通过演示多字母相位编码对松束缚孤子分子的相对相位执行可编程运转。这项研究不仅可以增强对孤子间远程相互作用的认识，而且为全光信息处理开辟了一条易于操作的途径。
研究人员简介
韦小明，华南理工大学物理与光电学院教授，研究方向为大功率飞秒光纤激光基础理论和关键技术及其在精细加工、医疗健康、超快测量等领域的应用等。
E-mail: xmwei@scut.edu.cn
杨中民，华南理工大学/华南师范大学教授，研究方向为玻璃光纤、光纤激光以及激光应用等。
E-mail: yangzm@scut.edu.cn
