近日，中科院西安光機所光子功能材料與器件研究室郭海濤研究員團隊在中紅外光纖激光脈動孤子動力學研究方面獲得重要進展，相關研究成果以《Double-periodic pulsating solitons in 2.8 μm mid-infrared fiber laser》為標題，發(fā)表在《Chaos, Solitons and Fractals》期刊上。

中紅外超快光纖激光器憑借其高轉換效率、結構緊湊、模式質(zhì)量優(yōu)異及寬帶發(fā)射譜等優(yōu)勢，在光譜學、醫(yī)療手術和材料加工等領域具有廣闊應用前景。然而，其性能優(yōu)化仍面臨非線性效應、色散調(diào)控及復雜脈沖動力學等挑戰(zhàn)。在高泵浦強度下，非線性效應誘發(fā)的雙周期脈動孤子，具有長周期與短周期的復合特性，是非線性動力學研究的典型范例，對激光技術在信息編碼、光存儲和光通信等領域的應用具有重要意義。

圖1.單脈沖狀態(tài)下的激光性能表現(xiàn)。時域(a)和頻域(b)演化隨往返圈數(shù)變化；諧振腔內(nèi)脈沖時域(c)和頻域(d)的演化圖；諧振腔內(nèi)脈沖峰值功率(藍)與脈沖能量(紅)的變化；收斂后脈沖的時域波形(f-1)、對應的線性光譜(f-2)和對數(shù)光譜(f-3)；非線性偏振旋轉透射曲線(藍)，以及瞬時功率與透射率的乘積隨瞬時功率變化的曲線(紅)(g)。

研究團隊基于復金茲堡-朗道方程，系統(tǒng)探究了中紅外超快光纖激光器中雙周期脈動孤子的動力學特性。通過調(diào)控2.8μm摻鉺氟化物鎖模光纖激光器的泵浦功率，團隊實現(xiàn)了從穩(wěn)態(tài)單脈沖到脈動孤子、束縛態(tài)孤子，直至三孤子分子與四孤子分子的轉變。團隊觀測到多組短周期（13、9、4、11、7、10、3）與長周期（425、86、105、216、648、823、90）并存的雙周期脈動孤子，其動力學表現(xiàn)為短周期與長周期脈動的混合模式。研究發(fā)現(xiàn)，在泵浦功率增加時，脈動孤子的短周期保持恒定，而長周期逐漸增加。

圖2.雙周期脈動孤子特性。時域脈沖(a),光譜(b),脈沖能量(c),峰值功率(d)隨往返圈數(shù)的變化;在RTs=1000~1060時,能量(e)和峰值功率(f)隨往返圈數(shù)的變化;RTs=300~2000時,能量-峰值功率演化軌跡(g);在兩個連續(xù)的13個往返周期內(nèi)的軌跡對比圖(h).

該研究首次揭示了中紅外光纖激光器中雙周期脈動孤子的動力學機制，不僅深化了對反常色散激光器系統(tǒng)中脈沖非線性行為的理解，還為優(yōu)化中紅外超快激光脈沖提供了新思路，有望應用于分子光譜學與精密材料加工領域。

研究受到國家自然科學基金重大項目課題、中國科學院青年創(chuàng)新促進會項目資助。

論文第一作者為西安光機所博士生董雨荷，通訊作者為西安光機所肖旭升副研究員和郭海濤研究員。第一完成單位和通訊單位為西安光機所。

郭海濤團隊在中紅外玻璃光纖、光纖器件及激光器整機領域取得系列創(chuàng)新成果，在光學與材料學國際權威期刊發(fā)表論文100余篇，獲授權國家發(fā)明專利14項，出版英文專著1部，并榮獲中國科學院創(chuàng)新交叉團隊等榮譽。

轉自：西安光機所

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