科学家首次捕捉到会“呼吸”的激光

最近，华东师范大学在超快激光领域取得了重要进展。华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室曾和平课题组首次实现了一种超快激光脉冲，称为“呼吸器”。相关研究成果最近发表在《科学进步》杂志上。

光孤子是光束传播过程中非线性效应对衍射色散效应进行平衡的结果。一般来说，孤子是在传输过程中不会发散的波包。相比之下，呼吸器的尺寸在传播过程中周期性地变化，即周期性地发散和会聚，如在呼吸过程中，吸气-会聚，呼气-发散。

由于呼吸者的非线性波与许多非线性现象之间的内在联系，有助于理解流氓波、湍流、飓风、海啸等极端现象，从而引起学术界的广泛关注。光孤子也成为非线性光学研究的前沿。

以前，呼吸器的生产仅限于节能系统，如水波和单程光纤系统。然而，现实世界中大量的物理系统大多是能量耗散系统。呼吸器也能在耗散系统中产生吗？

研究小组注意到了飞秒激光。飞秒激光是一种典型的能量耗散系统，但最近的理论模拟表明飞秒激光可能会产生呼吸器。在实验中，由于理论模型过于简化，很难复制呼吸器的生产过程。此外，呼吸器的变化很快，约为纳秒量级，传统检测技术的响应时间仍为毫秒量级，因此根本无法检测到呼吸器。

为了揭示呼吸子和呼吸分子的“面孔”，曾和平研究小组首次建立了一种普遍可靠的激光激发呼吸子的方法。其中，非线性管理是刺激呼吸器的关键。与传统飞秒激光输出幅度相同的脉冲不同，呼吸激光器输出的脉冲谱、时域宽度和能量会周期性快速变化。

利用快速检测方法——色散傅里叶变换方法，该团队首次揭示了呼吸器的光谱和时域实时演化动力学。

研究发现，传统的飞秒激光输出的脉冲序列具有均匀的能量，即每束激光的能量是相同的。呼吸器激光器打破了能量的均匀分布。一些激光器以牺牲其他激光器为代价获得极高的能量。这种极高能量的脉冲有望应用于非线性光学领域。

研究小组认为，呼吸激光器的诞生将引起激光领域的极大兴趣，这是一种全新的激光工作模式。飞秒激光是典型的朗道方程描述的普适系统，因此这项工作也将在其他相关领域得到广泛关注。特别是，这项研究将促进等离子体物理学、原子分子物理学、海洋学、化学和其他领域中的呼吸子和呼吸分子的研究。

相关论文信息:https://advances.sciencemag.org/content/5/11/eaax1110