研究成果概述
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4月12日，《Physical Review Letters》在线发表了浙江大学光电科学与工程学院崔玉栋课题组与以色列特拉维夫大学Boris A. Malomed教授合作的题为“Dichromatic “Breather Molecules” in a Mode-Locked Fiber Laser”的研究论文。该研究基于交叉相位调制效应和Q开关效应在锁模光纤激光器中实现了双色呼吸子输出，提出了双色孤子激光的时间延时自干涉光谱实时测量方法，获取了双色呼吸子时域相互作用过程。这项工作扩展了人们对于孤子、呼吸子和孤子分子等非线性现象和动力学机制的认识，为多色孤子分子的时频演化研究提供了实验和理论工具，并有助于超快激光技术的研究和发展。
背景介绍
孤子是自然界中一种基本的非线性波动传递形式，它在光通讯、流体动力学、等离子体、神经科学等诸多领域应用广泛。光孤子能够表现出类似粒子的行为，如碰撞、吸引和排斥，两个或多个孤子也可以通过相干相互作用结合在一起，形成具有特定间距和相位的束缚态或孤子分子，可以类比于多原子通过化学键连接构成的物质分子，并能够表现出分子的振荡行为。孤子分子在光纤激光器的非线性动力学研究、光学模拟、通信以及编码等方面都有着重要应用前景。近年来，由携带不同波长孤子形成的多色孤子分子受到研究人员的关注，多色孤子分子不仅可以模拟由不同原子组成的物质分子的非线性动力学行为，还能够应用于阿秒激光产生、THz激光、超快非线性光学等领域。然而，多色孤子分子振荡的产生和测量对于传统超快激光研究来说是一个难题，一方面孤子分子的振荡源于超快激光非线性耗散系统的本征解，但其基本理论不适用于多色孤子分子;另一方面多色孤子分子在时域上重叠，难以实时分辨，在频域上分离，无法利用实时光谱测量的方法观测时域振荡行为。
文章亮点
针对这一问题，浙江大学光电科学与工程学院崔玉栋及合作者巧妙设计锁模光纤激光系统和参数，利用激光器内Q开关效应和交叉相位调制实现了双色呼吸子，呼吸子通常用来描述具有时间和光谱周期性展宽压缩的孤子状态，双色呼吸子表现为双色孤子分子在周期性演化过程中的相互作用。针对双色呼吸子实时测量的难题，该研究构建了延时的马赫-泽德干涉仪，使每一个波长处孤子相邻脉冲形成光谱干涉，利用实时光谱测量技术可以提取其时域运动轨迹，进而反演出双色孤子分子的相对时间位置变化，实验中发现了异构孤子分子的非同步振荡行为。同时，在理论上改进了超快光纤激光数理模型，利用时变速率方程和耦合非线性薛定谔方程重现了双色呼吸子的演化动力学过程，验证了Q开关不稳定效应与呼吸动力学间的关系。
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Fig. 1 双色呼吸子时域演化及时延干涉获取振荡过程的技术路线。
总结展望
该研究基于同步锁模光纤激光开展了多色孤子分子产生、调控和测量研究，通过Q开关效应实现了双色呼吸子的产生，首次实验观测到双色呼吸子的特异性振荡行为，并在理论上重现了双色呼吸子的演化过程。该研究为多色孤子分子研究提供了新的思路，为多维度异构孤子分子的产生提供了条件;同时本研究也为瞬时精密测量提供了新的方法，是超快激光实时色散光谱测量研究的另一应用案例。
