孤子分子相位演化的「可視化」追蹤

2020-12-06 天津大學新聞網

本站訊（通訊員 胡明列）孤子是普遍存在於流體力學、凝聚態物理、化學、神經生物學、光學等研究領域的非線性局域波。飛秒雷射器中由色散和非線性，增益和損耗的雙重平衡而形成光孤子，其在非線性介質中能夠穩定傳輸。類似於化學分子，光孤子具有粒子特性，多個孤子通過相互作用可以形成各種各樣的束縛態，通常被稱為光學孤子分子。光學孤子分子因其可提高通訊容量和類似物質孤子分子的特性而受到廣泛關注。

長期以來，科研人員在各類雷射器中通過光學光譜觀測到具有恆定的時間間隔和相對相位的靜態飛秒孤子分子。然而，光譜分析儀受到探測速度的限制，很難獲取非重複性的瞬態信息。近年來，時間展寬色散傅立葉變換（TS-DFT）技術的出現克服了傳統光譜儀的速度限制，實現了各種穩態、振蕩以及振動孤子分子的快速實時光譜測量。但是，由於受到實時示波器存儲能力的限制，其觀測時間被限制在數百微秒。

為此，天津大學胡明列課題組提出了一種新的探測手段——軌道角動量（OAM）解析法，能夠將孤子分子內部相位演化映射為光學渦旋的旋轉運動，從而在CCD上直接觀測。這一工作發表在Photonics Research 2020年第8期上Extraction of internal phase motions in femtosecond soliton molecules using orbital angular momentum(OAM)-resolved method, Photonics Research, 8(10), 1580,2020)。論文第一作者為趙雨薇博士，通訊作者為胡明列教授和宋有建副教授。

軌道角動量（OAM）解析法探測孤子分子內部相對相位的演化

OAM解析法的核心是將孤子分子內部時域相位轉移到兩個具有相反拓撲電荷的光學渦旋的空間相位。因此，利用快速CCD監測兩個光學渦旋疊加後產生的幹涉模式的旋轉運動，便可以實現對孤子分子內部複雜的相對相位運動的長期監測。通過採用該OAM解析方法，該研究團隊測量了飛秒雷射器產生的不同時間間隔的雙孤子以及三孤子分子內部的相對相位的長期演化過程。

該方法簡單直觀、成本低，可以實現多孤子結構中的複雜相位動力學的可視化，為探索光學非線性系統內部孤子動力學提供了新思路。此外，由於OAM解析方法能夠將孤子對的時間相位轉移到矢量光束的空間相位，因此有可能通過操縱孤子分子相對相位來捕獲和控制納米粒子的旋轉，從而將該方法推廣到納米光子學領域。

論文連結：https://www.osapublishing.org/prj/abstract.cfm?uri=prj-8-10-1580

（編輯 趙暉 郭水晶）


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