近日，杭州高等研究院激光感知团队与浙江大学极端光学技术与仪器全国重点实验室刘旭教授课题组合作在国际顶级光学期刊Laser & Photonics Reviews（IF = 11）上发表题为Dichromatic Soliton-Molecule Compounds in Mode-Locked Fiber Lasers的研究论文。
两个氧原子可以组成一个氧分子，三个氧原子可以组成一个臭氧分子。无论是氧原子、氧分子，还是臭氧分子，都是组成宏观物质的基本粒子。光孤子与氧原子类似，也可以组成光孤子分子，比如双脉冲孤子、多脉冲孤子和孤子分子。
超快光纤激光器中产生的锁模脉冲也被认为是一种孤子，其不仅具有光波的特性，同时也会表现出粒子的特性。时间维度上，相同波长的相邻孤子之间可以通过强相互作用形成时域孤子分子；频率维度上，不同波长孤子之间可以通过非线性耦合作用形成多色孤子分子。时域孤子分子和多色孤子分子是两种性质不同的孤子分子，通过相互作用可形成具有多脉冲结构的孤子复合体，如上图所示。孤子复合体与孤子一样，可以表现出基本粒子的特性，正如分子和原子的关系一样。对孤子复合体的研究是激光动力学的一个重要分支，具有基础研究和实际应用的双重价值。
光孤子复合体时频结构示意图
产生双色孤子复合体的实验装置是一种基于交叉相位调制效应的被动同步多波长锁模光纤激光器，利用超快时域拉伸测量技术，实现了多维双色孤子复合体频域呼吸动力学的实时观测。研究发现，双色孤子复合体同样具有类似于粒子的特性，通过相互之间的吸引与排斥，可以形成时间维度和频率维度上均具有双孤子结构的孤子复合体。这种在两种维度上的孤子复合体包含更为复杂的动力学特性，兼具孤子分子时域上的束缚态特性以及呼吸孤子的振动动力学特性。在实验中，通过增加泵浦功率，可以观察到2+1和2+2型双色孤子复合体的时间和频率间隔的呼吸动力学的产生。同时，这种固有的非线性特性在振动动力学上产生了倍频跃迁。最后，通过耦合非线性薛定谔方程描述的激光模型，数值模拟也证实了该实验现象。
多维双色孤子复合体的呼吸动力学特性
虽然在本工作中只讨论了2+1和2+2类型的双色孤子复合体，但该概念可以扩展到更广泛的范围，开启了以呼吸子为基本结构的多体动力学研究的可能性。为此，可以考虑每个波长携带更多脉冲，从而构建更复杂的孤子复合体。此外，在波分复用系统中，可以在多个不同的波长同时产生孤子分子，这可能会产生多色孤子复合体。
在本课题研究中，激光感知团队张裕生校聘副教授为该论文第一通讯作者，负责激光器的搭建及数据分析。张裕生博士一直从事飞秒超快激光、孤子分子动力学研究，2021年入职浙师大，目前已主持国家自然科学基金1项、省自然科学基金1项、产学研合作项目2项，在PRL、OLT等期刊发表论文20余篇，获授权发明专利1项。课题合作者包括浙师大杭高院陈达如研究员，西北大学姚献坤副教授，浙江大学崔玉栋博士、郝翔教授、杨青教授，以色列特拉维夫大学的Boris A. Malomed教授、芬兰阿尔托大学孙志培院士等人。该工作得到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、以色列科学基金等项目的支持。
杭州高等研究院激光感知团队以让激光提升人类的感知能力为愿景，致力于激光感知技术创新及应用，开展激光器、激光雷达、激光光谱、微纳光学传感等相关技术及其在医疗、环境、工业等领域应用的研究。近年来，团队形成了11位专职研究人员的人才队伍，取得了多项重要的研究进展，相关研究成果发表在Physical Review Letters, Laser & Photonics Reviews等高水平学术期刊上。
编辑：盛灿灿
