光孤子是一種非色散的波包，在非線性光學和其他非線性波系統中的關鍵特徵。理論家們早已預言，孤子可以結合在一起形成的「分子」，在一些相對簡單的實驗案例中已經都證實了這一特性。現在，德國和美國的研究人員已經進行了多次孤子分子光譜的分析，他們利用雷射諧振腔進行相應研究，獲得了孤子對甚至三胞孤子的動力學特性。
光纖中的光通常表現為其頻率分量的線性和。由於不同的頻率在光纖中以不同的速度傳播，所以雷射脈衝在傳輸過程中會逐漸散開。然而，在高功率，玻璃纖維的折射率變得非線性，所以更高強度的脈衝傳播更慢。這種作用將脈衝推到一起，在特定的條件下，這兩種效應可以相互平衡，形成孤子，這種波傳輸過程中永遠沒有色散存在。
這些非線性效應也可以讓不同的光脈衝相互影響。「你有兩個均衡脈衝，當他們進入對方的勢力範圍，就會想光劍一樣開始相互彈跳！」德國哥廷根大學的Claus Ropers說。在某些條件下，它們也可以形成束縛態。
相對運動
孤子分子是在雷射腔內曾被觀察到，但只有當脈衝移動步調一致時才會發生。「如果你有兩個孤子脈衝在腔內穩定循環，你可以看到單純的雷射光譜，」Ropers解釋說。幾十年的模擬表明，這種情況下，脈衝穩定運行，是一個更廣泛更豐富的數學條件下可能的孤子動力學的一個子集。然而，孤子對在恆定的相對運動情況下在以前從未被實時觀察到。
「一旦孤子開始移動，雷射的光譜完全淘汰，」Ropers說，「你什麼都沒看到。基本上，你需要測量每一個雷射的光譜。」孤子以光的速度來回反彈，然而，這是一個幾乎不可能完成的任務。
在新的研究中，Ropers和他的同事在哥廷根大學和洛杉磯的加利福尼亞大學，開發了一個巧妙的相對簡單的技術，他們稱之為「實時頻譜幹涉」。每次孤子對其雷射腔的部分反射鏡反彈時，光的一小部分逸出至一個一公裡長的光纖中。
「這中能量非常少，沒有足夠的強度來創建在光纖的非線性效應，所以只是看到分散的脈衝，」團隊成員George Herink解釋說。「因此，脈衝會在一定時間內分散，直到它們再次重疊。當他們重疊幹擾，然後頻譜會對原始時間進行模式編碼。」這使得團隊捕捉到一個幾納秒內的光孤子如何演化的動態過程。
高功率三胞孤子
研究人員首先創造了光腔中兩孤子，並操縱他們接近直到他們形成了一個靜態的束縛態。他們也觀察孤子與固定的相對位置，但有不斷發展的相對相位。孤子對的相對位置不斷變化，Herink說：「第一個脈衝更強烈，所以它跑得慢一點，因為非線性折射率。第二個脈衝因此趕上：當它們足夠接近時，另一個非線性效應使它們再次相互排斥。這類物質可以連續發生，我們在數據中看到的是兩個脈衝不斷地改變它們的距離，」研究小組還觀察到非常高功率的孤子三胞胎，發現當它們稍微降低功率時，三重態成為一對孤子。
打算更詳細地研究它們的孤子。「這項工作是一個萬花筒般的現象，你可以看到，」Ropers說。「我們描述了一系列不同的解決方案，但這裡涉及到很多個物理參數，到底是什麼導致這些變化。」他說這個設置為「模擬器」孤子動力學，在許多其他的物理系統中都有出現，其中一些，如玻色愛因斯坦凝聚的超冷氣體，很難利用實驗進行調查。除此之外，Herink說，如果研究人員可以控制兩個脈衝之間的時間滯後的演變，這對於那些用泵浦探測光譜跟蹤超快反應動力學的化學家將會十分有用。
這一研究已經發表在《科學》雜誌上。
原文來源：http://physicsworld.com/cws/article/news/2017/apr/06/soliton-molecules-dance-in-a-kaleidoscope-of-light