模式锁相光纤激光器中孤子超分子的增益控制解离与调控

《Optics & Laser Technology》：Gain-controlled dissociation and regulation of soliton supramolecules in a mode-locked fiber laser

　　

摘要

孤子超分子是通过多個孤子分子在長程相互作用下的自组装而形成的高階束缚态。然而，在被动锁模光纤激光器中实现这种超分子状态的可控解离与调控仍然面临挑战。在本研究中，我们利用时间展宽色散傅里叶变换技术，对孤子超分子状态的解离动力学及其可编程控制进行了实验研究。通过采用基于强耦合七芯光纤的马赫-曾德尔干涉滤光器，增强了孤子间的长程相互作用，从而使得孤子超分子能够稳定形成。通过暂时降低泵浦功率，实现了双体及三体超分子状态的可控解离，其孤子分离过程及相对相位表现出不同的演化特性。此外，借助任意函数发生器实现的周期性增益调制，能够对超分子结合动力学进行同步且可重复的调控。

引言

作为耗散型非线性系统，被动锁模光纤激光器因其结构紧凑、操作简单，已成为研究光学孤子动力学的理想平台[1]。这类激光器同时涉及增益、损耗、非线性和色散等多种物理效应，只有当这些效应达到动态平衡时，才能维持稳定的锁模运行。在异常色散锁模光纤激光器中，克尔非线性与异常色散之间的平衡导致了传统孤子的形成，而这些脉冲的稳定存在则依赖于增益与损耗的共同作用[2]、[3]。耗散型孤子具有脉冲宽度窄、峰值功率高的特点[4]，其持续时间通常在皮秒到亚皮秒量级，已被广泛应用于材料加工[5]、非线性光谱学[6]以及光学通信系统[7]等领域。在锁模光纤激光器中，当多个孤子共存于腔内并通过相互作用形成稳定束缚态时，就会产生孤子分子。由于多个孤子之间的耦合，孤子分子往往呈现出复杂的时间结构以及丰富的内部动力学行为[8]，因此成为探索非线性相互作用机制以及开发新型超短脉冲激光源的重要载体。

近年来，随着时间展宽色散傅里叶变换技术的快速发展[8]、[9]、[10]，研究人员得以实时观测孤子分子的动态演化过程，从而发现了多种复杂的孤子状态，包括孤子对[11]、孤子分子复合物（即孤子超分子）[12]、多色孤子分子[13]、时空型孤子分子[14]以及明暗型孤子分子[15]。通过对色散、非线性、增益和损耗的精确控制，人们已经系统地捕捉到了诸如孤子脉动[16]、孤子碰撞[17]、孤子爆炸[18]以及孤子分子形成[19]等一系列瞬态动力学行为，进而揭示了此前无法观察到的复杂时间结构及内部演化机制。

2019年，研究人员首次报告称，在光纤激光器腔内可以通过精确调控源自光声效应和色散波辐射的长程孤子相互作用，使大量孤子自组装成高度有序的超分子结构[20]。在对孤子分子的动力学特性进行深入研究后，研究重点进一步从单个孤子分子系统扩展到了孤子超分子状态[12]、[21]。孤子超分子是指由多个孤子分子在长程相互作用驱动下通过自组装形成的高阶束缚结构[21]。与传统孤子分子[22]、[23]、[24]不同，后者的稳定性主要源于短程相互作用，而孤子超分子则是由多个孤子分子通过长程相互作用构成的层级结构。它们的核心特征并非脉冲的绝对数量，而是分子内部的短程结合与分子间的长程结合同时存在[20]。这类超分子的空间分布可覆盖整个光纤激光器腔体，并展现出内在的层级结构。孤子超分子的形成依赖于强烈的短程相互作用与较弱的长程相互作用的共同作用。短程相互作用主要来源于孤子尾场之间的直接重叠以及交叉相位调制[25]，而长程相互作用则间接由背景振荡引发，包括孤子产生的色散波[26]、扰动诱发的噪声背景[27]以及光声效应激发的声波[28]、[29]。

迄今为止，人们已经开发出了多种用于控制孤子分子的有效策略，包括偏振控制[30]、色散管理[31]、外部光注入[32]以及增益调制[33]、[34]。这些方法能够精确调控孤子分子的关键参数，如振幅、周期和重复频率[35]、[36]，以及其内部的时间间隔和相对相位演化。相比之下，关于孤子超分子的解离及其可控动力学行为的研究则相对较少。先前的研究表明，短长度实心芯光子晶体光纤中的显著光机械效应能够产生强大的长程相互作用力，从而帮助形成高度有序的孤子超分子结构[20]；此外，泵浦功率的调节也可诱导孤子分子的形成与解离。尽管如此，虽然孤子分子的解离机制及其控制方法已得到广泛研究[17]、[23]，但孤子超分子的解离过程、调控方案及其背后的动力学特性仍需进行系统而全面的探究。

基于上述考虑，本研究提出并研究了一种配备马赫-曾德尔干涉滤光器的被动锁模光纤激光器系统，通过增益调制实现了对孤子超分子解离及动力学行为的控制。通过快速改变泵浦功率及其调制频率，可以诱发短暂的增益扰动，促使不同的孤子超分子状态从稳定的束缚构型转变为解离状态。进一步地，通过使用任意函数发生器实现周期性泵浦功率调制，可以对孤子超分子状态进行主动驱动控制，从而有效调控孤子间的分离距离以及孤子分子内的相对相位。这些研究成果加深了人们对增益调制条件下孤子超分子动力学特性的理解，同时也为这类超分子的可控形成及其潜在应用提供了重要的实验依据和理论支持。

章节节选

实验装置

图1(a)展示了一种由任意函数发生器（Tektronix AFG3252C）驱动泵浦调制的被动锁模光纤激光器的结构示意图。该激光器的泵浦光源为976纳米的激光二极管，其输出信号由AFG产生的信号进行调制。AFG的调制电压范围为0至20伏特，调制频率范围为0至240兆赫兹。经过调制的泵浦信号通过980/1550纳米波分复用器被注入激光器腔体中。

结果与讨论

最初，通过仔细调整泵浦功率及腔内偏振状态，在激光器腔内建立了稳定的孤子超分子结构。当泵浦功率设定为80毫瓦时，便形成了稳定的双体孤子超分子。随后，泵浦功率被迅速从80毫瓦降至70毫瓦，由此产生了短暂的调制效应。在这种扰动作用下，观察到了两种不同的动力学行为：双体孤子超分子的解离以及……

结论

总之，本研究提出并通过实验验证了一种配备马赫-曾德尔干涉滤光器的被动锁模光纤激光器系统，重点研究了通过增益调节实现的对孤子超分子解离及动力学行为的控制。通过施加短暂及周期性的泵浦功率调制，实现了对腔内增益的动态调控，进而有效驱动了孤子超分子结构的演化过程。在快速改变泵浦功率的情况下……

作者贡献说明

丁茂：论文撰写——初稿、可视化处理、结果验证、研究分析、概念构建。戴凯：论文撰写——初稿、可视化处理、研究分析。陈越：可视化处理、研究分析。马慧慧：可视化处理、研究分析。施磊：可视化处理、研究分析。王浩宇：可视化处理、研究分析。张炳杰：可视化处理、研究分析。叶汉宇：论文撰写——审阅与编辑、资金申请。张玉生：论文撰写——审阅与编辑、项目管理工作。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究部分得到了以下机构的资助：中国国家自然科学基金，项目编号为62305299、42575146、62575261、12504502；浙江省自然科学基金，项目编号为LZ24F050002；以及中国国家重点研发计划，项目编号为2023YFF0715802。

Ding Mao|Ke Dai|Yue Chen|Huihui Ma|Lei Shi|Haoyu Wang|Bingjie Zhang|Hanyu Ye|Yusheng Zhang|Qiang Ling|Daru Chen|Yudong Cui