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综述:光纤激光器中的光孤子

日前,深圳大学微纳光电子研究院张晗教授课题组宋宇锋研究员在《Applied Physics Review》上发表了题为“Recent progress of study on optical solitons in fiber lasers”的综述论文,论文系统回顾了光纤激光器内可经过实验观察研究过的光孤子,同时对基于光纤激光器的光孤子研究未来发展做出了展望。

1834年。约翰·斯科特·拉塞尔在苏格兰的一条运河里首先观察到了孤子现象。在他的报告中,孤子被定义为一种特殊的波,可以无扭曲传播很长的距离。物理学中,孤子是一种自增强的局域孤子波包,可以在介质中长距离传播而不改变形状。孤子的研究适用于多个非线性领域物理场景,包括流体力学,等离子体物理,光学,生物与大气系统、非线性光纤等。由于光通信和光信号处理系统的潜在应用,光孤子在过去三十年中引起了人们的极大兴趣。以稀土掺杂光纤为增益介质的超快光纤激光器被认为是研究时间光孤子的形成和动力学的理想平台之一。

光脉冲在光纤中传输时,同时受到色散和非线性Kerr效应的影响。在两种效应分别单独作用影响下,脉冲均会发生展宽。在反常色散光纤中,色散和非线性的共同作用可以实现相互平衡,由此形成了传输中无形变的光脉冲,这种光脉冲被称为光孤子,光纤传输中的光孤子一般可用非线性薛定谔方程来描述。在单模光纤的条件下, 由于双折射的存在,腔内传输存在两个互相垂直偏振模式,孤子如果以两种模式相对独立的传输,则可描述其为矢量孤子,如图1所示。矢量孤子的描述由图中所示的耦合非线性薛定谔方程来描述,耦合方程增加了四波混频和交叉相位调制对脉冲传输的影响。

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图1 矢量孤子的产生示意图

目前,研究的主要实验研究平台是锁模光纤激光器。利用被动锁模技术实现的超短脉冲可以在光纤中形成光孤子,典型的锁模光纤激光器装置如图2所示。孤子光纤激光器在光谱上具有明显的对称边带,时域脉冲宽度为皮秒或百飞秒量级。

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图2孤子锁模脉冲光纤激光器示意图。

近十年来,在光纤激光器中实验观测到了多种理论预测的光孤子。光纤激光器中目前已经实验观测到由上述数学模型描述的光孤子,包括在色散,非线性效应共同作用下产生,基于传统的非线性薛定谔方程亮孤子和暗孤子;在增益和损耗因素影响下,基于金斯伯格朗道方程的耗散孤子;基于耦合波方程的矢量孤子;偏振磁畴壁光孤子;以及多孤子产生机制下出现的有趣的孤子相互作用现象,以束缚态孤子,孤子雨等形式为代表。该综述对上述的研究均做了详细的回顾。

可饱和吸收体是孤子锁模光纤激光器的核心器件。在过去的十年里,基于二维材料等新型非线性材料的可饱和吸收体快速发展极大促进了光纤激光器中孤子的研究。随着二维材料的进一步发展成熟,孤子光纤激光器的研究将得到快速发展。

近年来,一种新的测量技术,时间拉伸光谱法在超快分析中开始广泛应用。目前这项技术已广泛用于光纤激光器分析孤子脉冲动力学,孤子分子,孤子爆炸,耗散孤子,耗散孤子分子和相互作用,光怪波等等。时间拉伸分散傅里叶变换技术已经成为研究未来光纤激光器中的孤子的重要工具。可以预见的是,随着新材料新技术的不断产生,孤子光纤激光器研究不仅将得到更加快速的发展,同时会拓展出更多有价值的应用,推动光纤激光器的产业化。

该项目得到了国家自然科学基金项目的资助。

第一作者:宋宇锋

通讯作者:张晗

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