Nat. Commun.: 破解超短孤子分子之谜

图1 在激光谐振腔反射镜之间行进的两个超短孤子的耦合过程：第一个脉冲激发激光晶体的原子振荡，第二个脉冲受其影响并与之保持稳定距离

光孤子是一种稳定的光波包，可以通过超短脉冲激光器以一串脉冲的形式发出。这些孤子常常结合彼此之间时间间隔很短的脉冲对。如今，通过引入太赫兹范围的原子振动，拜罗伊特大学和弗罗茨瓦夫大学的研究人员们已经破解了光孤子对之间联系的谜题，研究成果发表在Nature Communications上。这种耦合光包的动力学能用于测量原子振动，以极快的方式测量材料特征指纹。

超短脉冲激光器中的光孤子能形成极其密切的空间和时间联系，这种光孤子也被称为超短“孤子分子”，因为它们彼此稳定地耦合在一起，类似于分子中化学键合的原子。拜罗伊特大学的研究小组使用了一种广泛使用的掺钛蓝宝石固体激光器来研究这一耦合作用。首先，发射一道先行脉冲刺激蓝宝石晶格中的原子振动，这种特征运动在太赫兹范围内振动，并在几皮秒内再次衰减（一皮秒相当于一万亿分之一秒）。晶体在如此短的时间内折射率发生了改变，当第二道脉冲紧随其后并追上第一道脉冲时，它感觉到了这种变化：它不仅受到了原子振动的轻微影响，而且还能稳定地与前面的孤子结合，从而形成了一个“孤子分子”。

“我们所发现的机制是基于拉曼散射和自聚焦的物理效应，这一机制能够解释自30年前掺钛蓝宝石激光器发明以来困扰科学界的各种现象。尤其令人兴奋的是，我们现在可以利用孤子在激光腔中生成的动力学，以极快的速度扫描材料中的原子键，从而将被称为腔内拉曼光谱的测量过程缩减到不到千分之一秒。这一发现将有望用于开发超快速化学敏感显微镜，用于材料识别。此外，这种耦合机制提供了通过原子运动控制光脉冲的新思路，或者反之通过光脉冲生成特殊材料状态的新思路，”该研究的负责人、拜罗伊特大学超快动力学的初级教授Georg Herink博士解释说。

在对实验数据进行分析的同时，研究人员成功建立了孤子动力学的理论模型。该模型可以解释在实验中获得的观察结果，并预测原子振动对孤子动力学的新影响。目前，拜罗伊特大学德国研究协会资助项目FINTEC正在研究光学系统中孤子的相互作用及其在高速光谱学中的应用。