天津大学胡明列教授团队为光孤子分子调控提供新思路

天津大学胡明列教授领导的超快激光研究室及其合作者利用全光调制的方式，首次在飞秒激光振荡器中实现了光孤子分子的内部动力学同步。

同步现象普遍存在于自然界中，表现为动力学系统中两个或多个事件节律的一致性。大到宇宙中行星的同步运转，小到公园中萤火虫的同步发光，同步刻画了简单却深刻的物理内涵，即动力学系统通过事件的复杂相互作用而自发地从随机中涌现秩序。在光学领域中，飞秒激光器作为典型的非线性系统，具有噪声低、操作简单、状态丰富等优点，是研究同步现象的理想平台。比如将飞秒激光源同步在外部低噪声的参考光上，可以显著改善频率稳定性。多台激光器的集群同步可以将激光器的能量提升多个数量级。

飞秒激光器产生超短激光脉冲源于光孤子成形效应。当激光器中存在多个光孤子时，可以通过相互作用形成稳定的束缚态，其性质类似于化学分子，因此又称为光孤子分子。光孤子分子内部的相互作用非常微弱，体现为亚飞秒量级的孤子相对运动，为光孤子分子动力学的测量与调控带来极大的挑战。该课题组创新性地利用平衡光学互相关技术（BOC）作为探针，开辟了超高时间精度的多孤子相互作用的新方向，发现了多种孤子分子振动模态[Opt. Lett., 43, 1623 (2018)]，以及相对抖动低至60 as (as, 10-18s) [Optica, 7, 1531 (2020)]的超稳孤子分子。

在成功地观测到光孤子分子微弱相互作用模式的基础上，该课题组进一步探索对其内部动力学的同步控制的可能性。实验采用注入锁定的方式，以振动态光孤子分子作为载体，将连续光信号通过电光调制器正弦调制后注入被动锁模的掺铒飞秒光纤激光器，采用BOC技术作为亚飞秒分辨的实时监测手段，实现了振动态光孤子分子内部振动频率的定向牵引和锁定。部分实验结果如图所示。光孤子分子内部振荡频率被驱动信号锁定，增大入射信号功率时，锁定区间不断增大形成阿诺德舌头（Arnold tongue）。


图 光孤子分子内部动力学同步的实验结果

本实验给出了光孤子分子内部存在非线性相互作用的直接证据，验证了振动光孤子分子本质上是低维动力学系统的极限环吸引子的假设，也为光孤子分子的调控提供了全新的技术思路。

该研究成果于2022年10月以Synchronization of the internal dynamics of optical soliton molecules为题在线发表于美国光学学会(OPTICA)的旗舰期刊Optica [https://doi.org/10.1364/OPTICA.473819]（2021年影响因子：10.644），博士生邹德峰和宋有建副教授为本文共同第一作者，以色列希伯来大学Omri Gat教授，天津大学胡明列教授和法国勃艮第大学Philippe Grelu教授为共同通讯作者。