呼吸孤子激光揭示同步动力学不敢公布的秘密是什么？

来自华东师范大学、阿斯顿大学和勃艮第弗朗什-孔泰大学的一个国际研究团队正在使用一种全新的飞秒激光概念——呼吸孤子激光器——来探索具有多个频率的非线性系统的复杂同步动力学，即多体相互作用。

通常，同步工作中涉及的许多光学谐振器的同步极具挑战性，因为必须严格控制激光器之间的腔长不匹配。但是呼吸孤子激光器具有多个内部竞争频率，因此只需要一个激光器即可完成这项工作。

什么是呼吸孤子激光?标准锁模光纤激光器随时间推移发出相同的脉冲，称为孤子。在某些条件下，锁模光纤激光器还可以发射具有时变能量的脉冲，由于其周期性，这些脉冲被称为“呼吸孤子”。

该团队的呼吸孤子激光器的设计“只不过是一个标准的锁模光纤激光器，”华东师范大学精密光谱国家重点实验室教授彭俊松解释说。“事实上，这些脉冲很常见。每个标准锁模光纤激光器都可以发射这样的脉冲，但关键是要仔细调整激光参数，例如泵浦功率。如果你不想手动调整它，机器学习技术可以为你做到这一点，我们在早期的工作中展示了这一点。

在他们的最新工作中，该团队揭示了多体系统中起作用的新动力学。“我们发现了一种新的非线性系统状态——调制次谐波——它是同步和不同步状态之间的中间状态，”Peng解释说。“换句话说：这种状态同时包含同步和不同步的信号。

预计在许多非线性系统中都会观察到这种状态，并可能有助于理解这些系统内的不稳定性机制。“同样重要的是，这种状态表现出三个相互竞争的频率——腔重复率、次谐波频率及其调制频率——开启了在单个振荡器内探索三个竞争频率的可能性，这是非线性科学中的一个多体问题，”彭说。“你不需要像以前那样构建三个振荡器。

团队多体系统中的不同步状态很特殊。“虽然多个呼吸孤子作为一个整体与激光腔不同步，但脉冲本身是相互同步的，”Peng说。“我们表明，同步状态的锁定范围随着呼吸孤子的数量而增加。

以前，需要三个谐振器来探索非线性同步科学中三个内部竞争频率的动力学。但是该团队用一个呼吸孤子激光器完成了它，当他们在40毫安的范围内改变泵浦电流时，观察到了11种不同的激光状态。

Peng及其同事惊讶地看到11种不同的激光状态，他们继续通过标准激光模型在数值模拟中重现这些状态。“我们的模拟为我们提供了对激光动力学的宝贵见解，因为实验无法获得激光腔内脉冲演变等细节，”Peng说。“在模拟的帮助下，感觉就像我们终于搭建了一座桥，去探索河对岸的美丽和神秘。”

该团队面临的最大挑战之一是，数值模拟对于揭示通过实验无法获得的呼吸孤子的时间动力学是必要的。“但是数值模拟部分非常具有挑战性，因为它必须通过调整单个激光参数来连续再现 11 种不同的激光状态，就像实验一样，”Peng 说。“此外，实验中的一些激光参数无法准确知道，这增加了挑战。

该团队通过反复试验克服了这些挑战，但他们承认这是一项耗时的工作。

呼吸孤子激光器在频域内比标准飞秒激光器产生更多的频率音，因此可以提高光谱学的光谱分辨率。它还显示了基础科学的巨大潜力，例如探索多体相互作用，正如该团队的工作所显示的那样。

“目前，激光允许我们研究三个相互竞争的频率，”Peng说。“一个自然的问题是，是否可以进一步增加频率的数量，以便可以探索和理解更复杂的动力学，例如湍流和混沌。锁模激光器不仅可以用于测距、传感和材料加工等实际应用，还可以是探索复杂系统的物理和非线性动力学的理想试验台。