锁模光纤激光器中的双色孤子-分子化合物

Yu-Dong Cui, Xian-Kun Yao, Xiang Hao, Qing Yang, Da-Ru Chen, Yu-Sheng Zhang, Xu Liu, Zhi-Pei Sun and Boris A. Malomed, Dichromatic Soliton-Molecule Compounds in Mode-LockedFiber Lasers. Laser Photonics Rev. 2300471 (2024).

光孤子通常被称为流体、玻色-爱因斯坦凝聚体、等离子体、聚合物中的基本激励以及光波导。许多产生孤子的环境都由普遍的非线性薛定谔方程来模拟。这类局域模式被扩展到包括耗散孤子，它由色散/衍射和非线性自聚焦的同时平衡以及增益和损耗之间的平衡所支持。该机制不仅可以维持简单的稳态耗散孤子，还可以维持更复杂的混沌态。随着复杂性的增加，稳定耗散孤子倾向于形成束缚态。在许多情况下，单个孤子的结合配合物被认为是“原子”，类似于化学分子。

在锁模激光器中循环的时间光孤子为孤子的形成、演化和相互作用提供了一个通用的平台。具有相同中心频率的对孤子形成具有双峰时间强度分布和周期性光谱调制模式的“分子”。克尔非线性引起的距离较小的重叠孤子之间的相干相互作用产生强的结合力，而距离较远的孤子之间的弱相互作用由色散波、增益恢复和声光机制介导。非线性和耗散的相互作用使孤子分子具有不同的动力学特征，如奇异点、吸引子和分岔。近年来，人们利用实时光谱技术在实验中探索了时间孤子分子的振动动力学，使其与化学分子内部激发的直接相似性成为可能。此外，理论和实验研究也揭示了多孤子相互作用产生的“超分子”结构和孤子晶体。

一个重要的问题是孤子分子与真实化学分子的类比可以延伸到什么程度。一个限制是，在大多数情况下，锁模激光器产生相同的光孤子，其参数由增益竞争效应和由此产生的能量量子化唯一选择。因此，在光纤激光器中模拟不同原子分子并不是一件简单的事情，尽管已经发现了具有不同偏振或波长的孤子和多分量空间孤子作为共传播束缚态。特别是，最近在锁模光纤激光器中，利用交叉相位调制提供的结合机制，在理论上和实验上实现了频域束缚态的多色孤子，该机制可用于操纵产生的孤子分布。双色孤子分子的振动最近才通过实验观察和理论解释。另一项最近的研究涉及光纤激光器中单色双分子状态的产生及其通过泵浦调制的方法控制，尽管它们看起来像是单原子化学分子的对立物。这些结果表明，有可能创建由多个单独的孤子分子构建的高阶化合物，这在早期的工作中没有得到解决。等离子体中的双激子和多激子可以提供类似的状态，它们是由两个或几个激子构成的复合状态，每个激子都是电子-空穴束缚态。

首先，图1a显示了双色孤子分子化合物在时频空间中的特征。特别地，如果一个属于孤子束缚态的孤子与另一个波长的孤子结合，则形成一个具有2+1型结构的三孤子双色孤子分子化合物。在这种情况下，双孤子时间孤子分子可以通过有干涉条纹的光谱来识别，而其他波长的单孤子光谱则是平滑的，如图1a中面板I的投影所示。另一方面，图1a中投影到面板II上的时间分布图也显示出干涉条纹，表明双色孤子分子化合物的存在，其中两个不同波长携带的孤子在时间上完全重叠。两个重叠的孤子产生了明显的交叉相位调制效应，该效应诱导了不同颜色（不同波长携带的孤子）的捕获势。形成单色时间孤子分子（由共同波长携带的束缚态）的两个分离脉冲通过自相位调制相互作用保持键合。结果，形成了一个混合的三孤子束缚态，由两种不同的结合力结合在一起。

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