光学青年| 罗智超浅谈超快光纤孤子激光
激光是20世纪人类科学技术最伟大的发明之一。激光器的出现，不仅极大地推动了相关科学技术的发展，涌现出非线性光学、激光光谱学、超强超快光学、激光材料和激光物理学等新兴学科，而且对人类生活的许多方面产生了巨大而深远的影响。
光纤激光器中孤子特性研究始于上世纪90年代
光纤激光器作为激光光源的一种，具有体积小、时/空间相干度高、转换效率高、散热性好等优点。随着光纤制造和激光技术的快速发展，光纤激光器无论是输出功率还是脉冲能量均已经可以和固体激光器相媲美了，因而光纤激光器被认为是下一代优质激光光源。
一般来说，要在光纤激光器中产生fs、ps量级的超短脉冲，一种简便有效的方式是利用被动锁模技术。研究人员常用的被动锁模技术有非线性偏振旋转（NPR）、非线性光放大环镜（NALM）、真实可饱和吸收体等。当光纤激光器运转在稳定锁模状态的时候，其输出的锁模脉冲一般可以称为孤子脉冲。虽然早在1973 年A. Hasegawa 和F. Tappert 就理论预言了光纤可以支持光孤子的传输，并于1980年由F. Mollenauer等人在实验中首次证实光纤孤子的存在，但是对光纤激光器中孤子特性的研究却始于上世纪90年代。
与光纤中光孤子传输不同的是，光纤激光器实际上还具有周期性增益放大和输出损耗，是一个非守恒的耗散系统。正是由于这种耗散结构，超快光纤激光器的孤子脉冲在特定的条件下往往会演化成新的孤子形态或者表现出复杂的非线性动力学特性。研究表明，新型孤子非线性现象的发现无论对于工业应用还是基础科学研究都具有重要的意义。
图1. 典型的非线性偏振旋转锁模光纤激光器装置图。WDM：波分复用器；EDF：掺铒光纤；PC：偏振控制器；PD-ISO：偏振相关隔离器；OC：输出耦合器。
孤子脉冲性能的提升拓展了光纤激光器的应用
从应用角度来看，脉冲能量、重复率以及脉宽等是超快光纤激光器面向应用领域的重要性能参数。因此，研究人员也一直尝试利用孤子非线性动力学特性来提高激光脉冲性能参数。例如，2004年，F.O. Ilday等人通过巧妙设计光纤激光腔结构，发现光纤激光器能够支持一种新型的自相似孤子脉冲运转 [Phys. Rev. Lett. 92, 213902 (2004)]，可以很大程度上克服孤子脉冲分裂现象，输出能量达到nJ量级，相对于常规孤子的能量是数量级的提高。因此，自相似孤子脉冲光纤激光器的研制成功极大地提升了超快光纤激光器直接输出的孤子能量，为其在工业领域的应用奠定了坚实的基础。
同样在孤子能量提升方面，N. Akhmediev教授的研究小组在求解cubic-quintic Ginzburg-Landau(CGL)方程时发现在耗散孤子形成过程中，会出现一种新型的孤子非线性现象——耗散孤子共振 [Phys. Rev. Lett. 78, 023830 (2008)]。耗散孤子共振现象能够抵御光波脉冲分裂并使得脉冲能量无限增加，因而在高能量激光器研制方面具有潜在的应用价值。随后，耗散孤子共振脉冲也在不同类型的超快光纤激光器中得到实验验证。
而在孤子重复率提高方面，研究人员发现在高抽运功率情况下，脉冲会出现不断裂变多脉冲并等间距排列的非线性现象，从而提高了超快激光器的脉冲重复率，这种现象也被称为被动谐波锁模 [J. Opt. Soc. Am. B 14, 144 (1997)]。这种方法在不缩短腔长的情况下就可以简便地将孤子脉冲重复率提高2个数量级以上，因而受到广泛的关注和研究。
最近，德国马普所报道了一种可以调控激光腔内多孤子脉冲间隔的技术方案，有望将谐波锁模孤子非线性现象进一步推向实用化。此外，研究人员还提出利用耗散四波混频效应（Dissipative four-wave-mixing）作为超快光纤激光器的新型锁模技术，并可以脉冲将重复率提高至百GHz量级[Opt. Lett. 31, 3489 (2006); Nat. Commun. 3, 765 (2012)]。可以看出，上述孤子非线性现象的发现都极大地提升了超快光纤激光器的性能，拓展了光纤激光器的应用领域。
图2. 耗散孤子共振脉冲特性图[Nat. Photon. 6, 84 (2012)]
新型孤子动力学特性的发现促进了孤子的基础研究
从基础研究角度来看，由于超快光纤激光器具有多维度的参数调节，所以能够展现出一系列有趣的孤子非线性动力学特性。例如，构成光纤激光器的单模光纤具有弱双折射，因此能够支持两个正交偏振模式的孤子传输，也就是矢量孤子。目前，研究人员在超快光纤激光器中已经观察到了孤子捕获、偏振旋转、偏振锁定等孤子矢量特性[Phys. Rev. Lett. 82, 3988 (1999); Phys. Rev. Lett. 101, 153904 (2008).]。
多孤子脉冲产生也是超快光纤激光器在较高抽运功率条件下的一种基本的孤子非线性现象。而获得多孤子脉冲运转之后，孤子之间可能会存在直接/间接的相互作用，这会使得多孤子表现出复杂的动力学行为特性，进而形成各种各样的“多孤子模式”。目前，在超快光纤激光器中已经观察到稳定的孤子分子、孤子晶体、随机分布多孤子等等 [Phys. Rev. A 78, 043806 (2008)]。
此外，孤子间的相互作用还会导致多孤子运转在动态模式，比如孤子雨、孤子流、局域混沌多脉冲等 [Phys. Rev. A 81, 063829 (2010)]。上述新型孤子动力学特性的发现不仅极大地丰富了孤子家族，而且进一步揭示了孤子的物理本质。
图3. 孤子流脉冲序列图 [Photon. Res. 3, A69 (2015)]
超快光纤孤子激光研究正热 期待未来有更多成果
各国激光物理学家已经对超快光纤激光器中的孤子非线性动力学特性研究了20多年，但是，仍有许多有关孤子特性的问题需要我们去探索、研究和解决。近年来，包括美国Cornell大学的Frank Wise教授等国内外几个课题组都系统研究了多模光纤中孤子脉冲的传输特性，并最终研制成新型的时空锁模孤子的多模光纤激光器 [Science 358, 94 (2017)]，为超快光纤激光器直接输出超高能量脉冲开辟了另外一条全新的道路。
图4. 多模光纤时空锁模激光器[Science 358, 94 (2017)]
同时，借助先进实时光谱探测技术和时域透镜（time lens）技术，超快光纤激光中的孤子瞬态时频特性研究也成为了近几年的研究热点。依靠色散傅里叶变换（Dispersive Fourier Transformation）技术的优点，研究人员已经在超快光纤激光器中观察到了一些有趣的、常规仪器不可探测的孤子瞬态非线性现象。例如，2015年在锁模光纤激光器中实时观察到了“孤子爆炸”现象 [Optica 2, 36-39 (2015)]、2017年报道了实验观察光纤激光孤子分子相位演化特性[Physical Review Letters 118, 243901(2017)]等。
我们课题组也于2015年前后开展了超快光纤激光孤子瞬态动力学特性研究工作，并取得了一些成果。近几年课题组先后报道了孤子短/长程相互作用诱导“光怪波”现象、“连续孤子爆炸”、孤子动态捕获、耗散孤子自启动特性等等。鉴于超快光纤激光孤子的复杂动力学特性，预计研究人员在未来几年会发现并观察到更多的新型孤子瞬态非线性现象，也期待能够归纳出一些更具有普适意义的孤子非线性行为特性。
图5. “连续孤子爆炸”[Opt. Lett. 41, 1181 (2016)]和“孤子动态捕获”[Opt. Lett. 42, 330 (2017)]
目前，超快光纤孤子激光器作为高性能的激光脉冲光源已经逐渐在不同领域学科得到了初步的应用。将来，相信激光物理学家将会继续探索和挖掘新型的孤子非线性现象，并通过研究孤子基本物理特性达到改善超快光纤激光性能的目的；同时，又以激光性能改善进一步推动超快光纤激光的应用。最终实现孤子非线性现象基础科学与工程应用研究的交叉，两者相互促进，共同发展，即开拓光纤激光孤子基础科学与应用研究并重的局面。
作者简介：
罗智超，华南师范大学研究员，主要从事超快光纤激光技术及应用方面的研究工作。迄今为止共发表学术论文100余篇，其中以第一作者或通讯作者身份发表SCI论文60余篇。据Google学术统计，发表论文共被引用2600余次，他引2000余次。在CLEO PR、OECC、CIOP、IEEE OGC、AOPC、LTO等国际学术会议上做邀请报告多次。担任“中国激光杂志社”首届“青年编辑委员会”委员（2017- ）和《光学学报》专题编辑（Topical Editor）。2014年获批“广东省自然科学杰出青年基金”，2015年入选首批广东省高层次人才特殊支持计划“科技创新青年拔尖人才”。
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