封面文章| 魏志偉,劉萌,崔虎,羅愛平,徐文成,羅智超. 超快光纖雷射器中孤子瞬態動力學特性研究進展[J]. 雷射與光電子學進展, 2019, 56(7): 070006
超快光纖雷射器能夠產生高峰值功率、寬光譜的超短脈衝，無論對於基礎科學研究還是工業應用，都起到了不可或缺的作用，如在生物醫學領域作為非線性光學成像系統的光源；又如，大能量短脈衝光纖雷射器可以用來雷射精細微結構加工。2018 年，諾貝爾物理學獎頒發給了超快雷射的相關領域——啁啾脈衝放大（CPA）技術。
超快光纖雷射器不僅具有重要的應用，同時還是一個優良的非線性光學系統平臺，藉助該平臺可以用來觀察多種非線性現象，如光孤子動力學等。
儘管各國雷射物理學家對光纖雷射孤子的非線性動力學特性開展了廣泛的、卓有成效的研究，但是對光孤子頻域和時域的精細測量普遍依靠商用光譜儀和自相關儀。由於儀器測量帶寬或者響應速度的限制，所觀察到的孤子非線性光學特性幾乎都是非實時或多次平均的結果。因此，雖然理論預言了光孤子在傳輸過程中具有許多有趣和重要的瞬態動力學特性，但是在實驗上卻難於觀察和驗證。
最近，提出的色散傅立葉變換技術（DFT）用來測量瞬態的、非重複的少概率事件，並成功應用於光學傳感、光譜學、光學成像、生物醫學等領域。也正是由於DFT技術的實時光譜測量特性，為超快光纖雷射器中的孤子瞬態動力學特性研究開啟了一扇大門。
DFT技術源於時空二元性，即光束經過透鏡在遠場區域的衍射類比於時間脈衝在色散元件中的傳輸。如果一個超短脈衝通過一個色散元件且該色散元件具有足夠大的色散以滿足時間遠場條件，則脈衝的頻域光譜信息將被映射到脈衝波形，拉伸後的光脈衝具有和光譜形狀相同的強度包絡，如圖1所示。由於高速實時示波器擁有極高的掃描速率，所以結合示波器和DFT技術能夠觀察到實時的脈衝光譜瞬態特性，這就為我們研究少概率發生事件提供了一種優良的技術手段。
圖1 DFT技術原理示意圖
藉助DFT技術，超快光纖雷射器中多種孤子瞬態動力學在實驗上得到了揭示和驗證，如孤子建立過程、動態孤子捕獲、孤子脈動、孤子爆炸、多孤子相互作用以及光怪波等。下面將簡單回顧近幾年國內外孤子瞬態動力學研究進展。
雷射器鎖模建立過程具有高度隨機和非重複性。前期的工作主要集中在理論研究和時域觀察。依賴DFT技術，鎖模建立的瞬態過程的光譜演化特性近期得到了揭示。這些結果有助於我們更深刻的理解鎖模建立過程的物理本質，同時也能夠為雷射器設計和應用提供新的見解。
2015年，香港大學K. K. Y. Wong教授課題組首次利用DFT技術實時觀察到光纖雷射器中傳統孤子建立的瞬態特性，在研究鎖模脈衝建立的瞬態過程中觀察到了中心波長漂移現象。
隨後，G. Herink等利用DFT技術在鈦藍寶石雷射器中研究分析了克爾透鏡鎖模建立的瞬態過程，觀察到光譜瞬態幹涉結構這一有趣現象。
由於正色散和負色散區域的孤子整形機制不同，華南師範大學羅智超研究員題組分別搭建了淨正色散和負色散兩種不同類型的鎖模光纖雷射器，探索研究了耗散孤子和傳統孤子鎖模建立過程中的不同物理特徵，其中耗散孤子建立過程如圖2所示。研究人員發現，在建立過程中耗散孤子存在光譜呼吸行為，傳統孤子則具有馳豫振蕩現象。
此外，J. M. Dudley教授課題組、浙江大學劉雪明教授課題組和華東師範大學曾和平教授課題組也分別對耗散孤子建立過程的瞬態動力學特性進行了研究。
圖2 耗散孤子建立動力學
光纖雷射器可以支持不同類型的矢量孤子傳輸，如孤子捕獲、偏振鎖定、偏振旋轉等。
日前，華南師範大學羅智超研究員課題組利用DFT技術觀察了群速度鎖定矢量孤子和偏振旋轉矢量孤子的偏振分量實時光譜特性，並揭示了矢量孤子的動態捕獲特性。對於群速度鎖定矢量孤子，它的兩偏振分量中心波長保持不變；而偏振旋轉矢量孤子的兩偏振分量則可以通過動態改變中心波長實現孤子捕獲，稱之為「動態孤子捕獲」。
隨後，Ph. Grelu教授課題組報導了非相干耗散孤子的瞬態矢量特性，並且在研究偏振旋轉動力學過程中發現孤子爆炸效應和怪波的出現，進一步推動了孤子瞬態矢量特性研究的發展。
在耗散系統中，當增益和損耗不完全平衡時，孤子可以具有脈動行為，即脈衝形狀、寬度或振幅可以周期性地演化。脈動孤子的發現進一步豐富了孤子家族，同時對它的研究也有助於更好地理解孤子物理特性和優化雷射器性能。
2018年，南開大學王志教授課題組和華中科技大學舒學文教授課題組分別報導了負色散和正色散光纖雷射器中脈動孤子的光譜實時演化特性，可以更好地理解脈動孤子演化過程中的物理特性。
理論證明孤子在脈動過程中可能伴隨著混沌現象。華南師範大學羅智超研究員課題組利用DFT技術在光纖雷射器中驗證了該理論預言，如圖3所示。研究人員發現，脈動過程中混沌狀態的出現，會導致周期性演化地光譜突然坍塌。這些實驗結果有利於加強對脈動孤子動力學和混沌動力學的理解。
圖3 具有混沌行為的脈動孤子
孤子爆炸是雷射器中最有趣的一種耗散結構之一。它的典型特徵是：準穩態的孤子在腔內運轉時突然經歷結構性坍塌，但隨後又能回復到原來的狀態，等待下一次爆炸的發生。
2015年，A. F. J. Runge等利用DFT技術首次觀察到光纖雷射器中孤子爆炸的瞬態現象，發現孤子爆炸伴隨著拉曼散射。
2017年，清華大學肖曉晟、楊昌喜教授團隊報導了持續時間可調的孤子爆炸。
2018年，華南師範大學羅智超研究員課題組和香港大學K. K. Y. Wong教授課題組合作，報導了在多孤子狀態下運行的超快光纖雷射器中孤子爆炸的研究。該實驗證明，通過摻鉺光纖瞬態增益響應調節的孤子相互作用，一個孤子的爆炸可以誘導另一個孤子的爆炸的發生，並把這種孤子爆炸稱之為「互相點燃孤子爆炸」。
圖4 「連續孤子爆炸」狀態的實時光譜
多孤子狀態是雷射器中一種普遍的工作模式。典型的多孤子狀態有孤子分子，孤子雨和孤子束等。孤子分子動力學是目前的研究熱點之一。利用DFT技術可以獲得孤子分子的實時幹涉光譜，從而研究孤子分子內部的時間間隔和相對相位演化瞬態特性。
2017年，G. Herink等在Science期刊上報導了利用DFT技術觀察了飛秒孤子分子的實時幹涉光譜探究孤子分子的形成和內部動力學特性。幾乎同時，Ph. Grelu教授課題組利用DFT技術實時觀察了耗散孤子分子的不同內部運動特徵。
2017年，香港大學K. K. Y. Wong教授課題組報導了多脈衝鎖模的光譜-時間動力學，觀察到幾種不同動力學，如：自相位調製引起的光譜展寬、波長漂移、光譜幹涉等。
2018年，浙江大學劉雪明教授課題組、華東師範大學曾和平教授課題組和中科院李明教授課題組分別對多孤子建立動力學進行了報導。
除了多孤子建立動力學，中科院西安光機所Guomei Wang等研究了雙脈衝失鎖的瞬態演化過程，發現雙脈衝可以同時消失，也可以一個接一個的消失。這些工作有助於更好的理解多孤子鎖模光纖雷射器的動力學特性。
光怪波是非線性光學領域的一個研究熱點。光纖雷射器中光怪波的產生可能和混沌多孤子模式下的孤子相互作用有關。而類噪聲脈衝作為一類局部混沌的多脈衝波包，它內部隨機演化的特性為光怪波的產生提供了條件。
2014年，A. F. J. Runge等利用DFT技術在類噪聲模式下觀察到拉曼怪波。同年，Lecaplain等證實之前在類噪聲模式下未能觀察到光怪波是由於光電探測器帶寬的限制，並利用DFT技術探測到光怪波。
2015年，康奈爾大學F. Wise課題組報導了基於DFT技術的正色散摻鐿光纖雷射器中光怪波形成的實驗觀察。除了混沌多孤子波包內的孤子相互作用會誘導光怪波的產生，光纖雷射器內還有其他物理機制同樣會影響光怪波的出現。
2016年，華南師範大學羅智超研究員課題組利用DFT技術在孤子爆炸過程中探測到光怪波的出現，該結果首次將孤子爆炸與光怪波聯繫起來，加深了對光怪波和孤子爆炸動力學的理解。
此外，研究人員還在耗散孤子建立過程中觀察到了怪波的出現。這些工作為光怪波產生的物理機制提供了新的見解。
DFT實時光譜測量技術突破了傳統電子測量儀器對超快現象實驗觀察的局限，為研究超快光纖雷射器中的孤子瞬態動力學特性提供了有效的手段，也極大地激發了研究人員探索和挖掘光纖雷射器中新型孤子瞬態非線性現象的熱情。
事實上，對孤子瞬態動力學特性的研究不僅有利於揭示孤子的物理本質，同時，通過揭示孤子物理特性，也能夠為超快光纖雷射器性能優化提供借鑑並拓展其應用。也就是說，孤子動力學特性研究將為超快雷射技術的發展提供源動力，而超快雷射技術的發展必將帶動新型孤子動力學特性的探索，兩者相輔相成，共同推動超快雷射技術領域的發展。
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