“科学家在锁模光纤激光器中发现光学“超分子”束缚态”

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李沙科技日报记者陆成宽

最近，德国马普光科学研究所的研究小组在钳位光纤激光器和光孤子物理行业取得了新的进展，在高频脉冲光纤激光器内首次观测到了许多杂、稳定可控的光学“孤子超分子”结构。 相关成果发表在《自然-通信》上，获得“2019年物理系top 50最受瞩目的论文”。 该团队在利用光子晶体光纤实现高频声光锁模超高速激光和全光比特新闻存储后取得了划时代的成果。 论文的通信作者霍盟现事业单位是中国科学院上海光机所强场激光物理国家要点实验室。

因为光孤子在传输过程中能够维持形状，即使受到少量干涉也稳定，被认为是理想的光新闻载体。 光孤子的自稳定性特征源于光的色散效应和非线性效应的平衡，是非线性科学中“吸引子”概念在光学系统中的具体实现。

一些光孤子在特定的条件下形成稳定的束缚状态，并且像整体一样在传输过程中保持一定的距离和相位关系，这一点自古以来就为人所知。 为了使被束缚的原子能够构成分子，这种光孤子束缚状态被称为“孤子分子”。 但是，从以往流传的观点来看，“孤独子分子”产生的前提是孤独子之间的距离足够小，孤独子只有在空之间部分重叠，才会产生足够强的相互作用，产生稳定的束缚状态。 孤独子之间的远程相互作用大多被认为非常微弱，难以控制，这一般被认为是微小的干扰，需要抑制。

在这项研究中，研究者反其道而驰，巧妙地增强和控制了光孤子之间的远程相互作用，以稳定、有序、可控的方式形成了数百上千光孤子的前所未有的“超分子”结构。

产生这种“孤子超分子”的关键是能够增强光学非线性效应的特殊光纤——光子晶体光纤。 在一个锁模光纤激光器中，引入了纤芯直径只有2微米的光子晶体光纤。 光在这种特殊光纤中传播时，能够比较有效地激励芯内的高频声波共振。 该声波的谐振频率远远高于激光腔的基础重复频率，产生的高频声光调制可以将激光中存在的大量光孤子分组并间接地隔离，产生稳定的“光机光栅”。 在该“光机光栅”的各个时间单元内部，基于精心构筑的力学平衡(图1 )，多个光孤子能够在远程形成稳定的束缚状态。

实验结果表明，“光机光栅”内的各个时间单元可以包含不同数量的光孤子，但该束缚状态的最小单元可以是单一的孤子，也可以是包含两三个孤子的“孤子”。 由于其形成的结构比以前流传的孤立子分子多、复杂，故命名为“孤立子超分子”(图2 )。

这样多种复杂的“孤子超分子”结构一旦发生，就可以在激光器内稳定存在几个小时。 进而，通过调节激光参数，可以灵活调节孤立子之间的远程约束力。 另外，“孤立子超分子”中的基本单位也可以自由增减，不影响结构整体的稳定性(图3 )。 。 这些特征容易让人联想到生化行业的“超分子”(如dna等)，它们同样兼具很多复杂性、稳定性、灵活性。 与以前流传的“孤子分子”相比，新发现的“孤子超分子”结构越来越多样化，变化更加灵活，而且具有较强的自稳定特征。 这个发现对光孤子在非线性科学中的理解以及在光新闻科学中的应用具有重要的启发意义。