光学孤子分子形成过程中的复杂孤子互作用

发布日期: 2018-07-13   作者:  浏览次数: 14

孤子是一种在色散介质中传输时不会展宽的波包。孤子在自然界中普遍存在,很多系统中可以产生孤子,例如水波,声波,DNA,光学等。孤子在很多方面和粒子有相似之处,例如孤子之间可以产生吸引,排斥,湮灭等相互作用。两个或者多个孤子可以束缚在一起形成孤子分子,拥有很多和物质分子一样的属性,例如振动,合成,解离等。化学键将原子束缚在一起形成分子,孤子的尾翼将多个孤子锁定在一起形成孤子分子。尽管孤子分子的动力学特性最近获得了极大的关注,一个基本的科学问题仍旧很不清楚:单个孤子分子是如何通过孤子间的相互作用形成的?这个问题的答案可以增进我们对复杂系统的了解。尽管光学在过去几十年引领了孤子物理方面的研究,光学孤子分子的形成过程一直无法从实验上直接观测,因为传统的光学探测设备速度太慢无法响应这一超快过程。

实验室曾和平教授课题组成功地观察到了这一超快过程。他们的研究基于一台光纤飞秒激光器。利用色散傅里叶探测技术,在世界上首次完整地捕获了噪声演化到孤子分子这一复杂的动力学过程。具体来说,他们研究了三种光学孤子分子的建立过程,包括基态(孤子之间距离较近),激发态(孤子之间距离远)孤子分子,和一种新发现的间歇式振动孤子分子。尽管很多观点认为孤子之间的吸引力在形成孤子分子过程中起到主要作用,该研究表明孤子之间的作用相当复杂。反常的是,甚至孤子之间的排斥力也可以形成孤子分子。此外,诸如振动,部分湮灭等相互作用过程也在孤子分子形成过程中起到重要作用。

间歇式振动孤子分子内孤子之间的间距不断地振动然后又突然稳定,整个过程是周期性的。这一状态是稳定孤子分子和振动孤子分子之间的中间态。这一发现给孤子分子这个大家庭增加了新的成员。毫无疑问,在其它领域探索这一新态的存在将会引起科研人员极大的兴趣。相关科研成果已经发表Laser Photonics Rev. 1800009(2018)

 

a 是基态孤子分子的形成过程。横坐标代表的是脉冲在激光器内的传输圈数,纵坐标表示时域。可以看出当圈数是500时单孤子分裂成双孤子,随后,双孤子迅速地排斥到最远。此后,双孤子通过吸引作用不断地靠近,进而形成稳定孤子分子(孤子之间的距离不再变化)。图b是激发态孤子分子的形成过程。与基态孤子分子形成有很大的不同,双孤子最后是通过排斥作用达到稳态