曾和平教授（左）與(yu) 彭俊鬆副研究員

華東(dong) 師範大學精密光譜科學與(yu) 技術國家重點實驗室曾和平教授課題組在超快激光領域取得重要進展，該團隊首次實現了一種被稱之為(wei) “呼吸子”的超快激光脈衝(chong) 。

研究成果“Breathing dissipativesolitons in mode-locked fiber lasers”於(yu) 2019.11月發表於(yu) 《科學》（Science）雜誌子刊Science Advances上。該論文以華東(dong) 師範大學為(wei) 第一完成單位，英國阿斯頓大學為(wei) 合作單位。曾和平教授為(wei) 論文唯一通訊作者，彭俊鬆副研究員為(wei) 第一作者。

《科學》子刊刊登曾和平教授課題組研究成果

超快激光脈衝(chong) 的發散匯聚 即“呼吸”

光孤子一直是非線性光學研究前沿，它是光束在傳(chuan) 播過程中由非線性效應平衡衍射/色散效應的結果，通俗來說，孤子是一種在傳(chuan) 輸時不會(hui) 發散的波包。而與(yu) 之不同的是，呼吸子在傳(chuan) 輸過程中其大小會(hui) 發生周期性變化（周期性地發散再匯聚），好像人在不斷地呼氣（發散）、吸氣（匯聚）的過程。

由於(yu) 呼吸子這種非線性波和許多非線性現象有著內(nei) 在關(guan) 聯，有助於(yu) 理解例如怪波（rogue wave），湍流，颶風，海嘯等極端現象，引發學界的廣泛關(guan) 注。

此前，呼吸子的產(chan) 生局限於(yu) 能量保守係統，例如水波、單通光纖係統。然而大量現實世界的物理係統都是耗散係統，那呼吸子是否也可以在耗散係統裏產(chan) 生？

該課題組注意到飛秒激光器是一個(ge) 典型的耗散係統，最近的理論模擬表明飛秒激光器可能可以產(chan) 生呼吸子。然而實驗上產(chan) 生呼吸子的難點在於(yu) 理論模型過於(yu) 簡化，很難與(yu) 複雜的飛秒激光係統相聯係。此外，呼吸子在納秒量級快速變化，傳(chuan) 統探測技術響應時間在毫秒量級，根本無法探測到呼吸子。

文章第一作者彭俊鬆指導本科生參與(yu) 科研項目

揭示呼吸子和呼吸子分子的“麵貌”

曾和平教授課題組首次確立了通用的、可靠的在激光器中激發呼吸子的方法。其中，非線性管理是激發呼吸子的關(guan) 鍵。與(yu) 傳(chuan) 統飛秒激光器輸出幅度一致的脈衝(chong) 不同，呼吸子激光器輸出的脈衝(chong) 光譜，時域寬度和能量會(hui) 周期性迅速改變。

利用快速探測方法-色散傅裏葉變換法，該團隊實驗上首次揭示了呼吸子的光譜和時域實時演化動力學特性。

圖1：呼吸子高速演化動力學。A,B分別是呼吸子的光譜和時域的周期性演化。橫坐標是距離。隨著距離的增加可以看出呼吸子的光譜和時域均出現周期性變化。當增強非線性時，呼吸子的這種周期性變化會(hui) 變弱（D,E），進一步增強非線性時，孤子會(hui) 出現。G,H是孤子的光譜和時域，由圖可以看出這兩(liang) 個(ge) 參量在傳(chuan) 輸過程中均保持不變。

圖一清晰地展示了呼吸子的光譜和時域寬度隨著傳(chuan) 播距離呈現周期性變化，並表明增加非線性會(hui) 使得激光從(cong) 呼吸子變成孤子。此外，該團隊還報道了呼吸子分子（Breather molecule），這是指兩(liang) 個(ge) 呼吸子離的很近的一種狀態。

圖2：呼吸子分子動力學。如A所示，這裏的光譜由一根根精細的線條構成，這表明時域上有兩(liang) 個(ge) 脈衝(chong) 正如圖C所示。此外光譜隨著距離（縱坐標）周期性地變寬變窄，表明這是呼吸子分子。圖C從(cong) 時域上更直觀地展現呼吸子分子的周期性變化。

圖二展示了呼吸子分子的動力學特性，此時光譜出現了一道道細紋，這是兩(liang) 個(ge) 脈衝(chong) 幹涉的結果。圖二C清晰地展示了兩(liang) 個(ge) 脈衝(chong) 的幅度在傳(chuan) 輸時，同時變強變弱，像一個(ge) 整體(ti) 一樣。呼吸子分子的發現表明物質分子這一概念不僅(jin) 適用於(yu) 孤子，也可以拓展到呼吸子領域。

傳(chuan) 統飛秒激光器輸出的是能量均勻的脈衝(chong) 序列即每道激光的能量一致。呼吸子激光器打破了這種能量均勻化分布，某些激光獲得極高能量（以犧牲其它激光的能量為(wei) 代價(jia) ），這種極高能量的脈衝(chong) 有望在非線性光學領域獲得應用。

有理由相信，呼吸子激光器的誕生會(hui) 引起激光領域的極大興(xing) 趣，因為(wei) 這是一種全新的激光工作模式。飛秒激光器是典型的朗道方程描述的普適係統，因此該工作也會(hui) 在其它相關(guan) 領域獲得廣泛關(guan) 注。特別地，該研究將推動呼吸子和呼吸子分子在等離子物理、原子分子物理、海洋學、化學等領域的研究。

近年來，曾和平教授團隊在超快激光領域進行了一係列研究。揭示了單孤子和孤子分子的形成動力學[Commun. Phys., 1(20), 2018;Laser & Photon. Rev. 12 (8), 1800009, 2018]；發現一種孤子爆炸的新機製-孤子碰撞[Commun. Phys., 2 (34) 2019]；研究了呼吸子的爆炸動力學[Phys. Rev. Appl. 12, 034052 (2019)]；提出並證明了一種超快激光器的新的增益機製-自參量放大[Phys. Rev. Appl. 11, 044068(2019)]。這項工作得到了科技部、國家自然科學基金委以及上海市科委的資助。

文稿：精密光譜科學與(yu) 技術國家重點實驗室 呂安琪