研究背景

近年来，超短激光脉冲因其超快、超强和超宽频谱等特性得到了迅速的发展。2018年和2023年的诺贝尔物理学奖分别从飞秒激光脉冲和阿秒激光脉冲的角度，肯定了超短光脉冲产生的技术进步和应用价值。其中，束缚孤子脉冲与物质分子间的相似性，使其在大容量传输、光学数据处理和全光信息存储中具有巨大的潜在应用价值，成为了国内外工业界和学术界持续关注的热点领域之一。

光纤激光腔中的色散是决定孤子特性的关键因素。当二阶色散与非线性效应达到平衡时，会形成孤子脉冲。然而，孤子面积理论限制了其脉冲能量的提升。由任意高偶数阶（k阶）色散与非线性效应相平衡产生的孤子脉冲能突破孤子面积理论对脉冲能量的限制，更窄的脉冲宽度将极大地提升其脉冲能量。这种能量-脉冲宽度扩展特性为产生高能量超短脉冲提供了新思路。然而，由于光纤激光腔中高阶色散值太小，常被视为微扰而忽略，因此对于光纤激光器高阶色散调控的研究很少。

创新研究

针对上述情况，吉林大学通信工程学院的高博教授研究团队，提出了一种基于脉冲整形的光纤激光器高阶色散调控方案，实现了对纯高偶数阶色散束缚孤子复合物的研究。在该工作中，他们通过将基于液晶空间光调制器的脉冲整形结构引入半导体可饱和吸收镜被动锁模光纤激光腔中，实现了对四阶、六阶、八阶、十阶色散的调控，并成功得到了纯四阶、六阶、八阶、十阶色散孤子脉冲输出，即纯高偶数阶色散（PHEOD）孤子脉冲输出。其测量光谱的边带间距都遵循着预期的线性关系。在此基础上，在保持泵浦功率不变的条件下，通过调节腔内净高偶数阶色散的值以及腔内偏振态，不仅实现了 PHEOD 束缚孤子对由紧密束缚态到松散束缚态的转变，还实现了对束缚态内 PHEOD 孤子数目及组合状态的调整。

图1：(A)纯高偶数阶色散孤子超快光纤激光器的结构图。(B)具有不同孤子数目的纯高偶数阶色散束缚孤子测量光谱及自相关轨迹。(C)松散束缚、紧密束缚纯高偶数阶色散孤子对的测量光谱及自相关轨迹。(D)纯高偶数阶色散孤子的测量光谱。

随后，他们建立了与实验系统相对应的理论模型，用以探索 PHEOD 束缚孤子脉冲的形成机制，研究了稳态 PHEOD 束缚孤子的建立过程。分析了 PHEOD束缚孤子的动力学特性，包括滑动相位 PHEOD 束缚孤子对、振动相位 PHEOD束缚孤子对以及混合相位 PHEOD 束缚三孤子。仿真结果验证了实验中高偶数阶色散及腔内偏振态对于 PHEOD 孤子数目的调整。该研究结果拓宽了对孤子的基本认识，展示了一种新型超快孤子脉冲，为理解 PHEOD 束缚孤子复合物的复杂动力学提供了新的见解。若能通过主动控制或被动反馈控制实现对束缚孤子脉冲特性的调控，可为超快激光测量、光存储、光计算等应用场景提供新的思路，有望促进高容量全光存储技术的发展。

图2：(A)振动相位纯高偶数阶色散束缚孤子对的相关特性图。(B)混合相位纯高偶数阶色散束缚三孤子的相关特性图。

该研究成果以“Pure-high-even-order dispersion bound solitons complexes in ultra-fast fiber laser”为题发表于国际顶级学术期刊Light: Science & Applications。吉林大学通信工程学院博士研究生韩颖为该论文的第一作者，吉林大学通信工程学院的高博教授和吉林大学电子科学与工程学院的吴戈高级工程师为论文的通讯作者。主要合作作者还包括鹏程国家实验的马春阳助理研究员，吉林大学通信工程学院博士研究生李祁、文红琳为论文工作做出贡献，该工作得到了研究团队带头人刘列教授的重要指导与大力支持。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01451-z