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光学微谐振器中的孤子碰撞揭示了重要的基础物理学

光学微谐振器中的孤子碰撞揭示了重要的基础物理学

孤子是由色散和非线性之间的平衡所产生的自增强的类粒子波包。在流体动力学、激光、冷原子和等离子体中,当激光场被限制在一个超低损耗的环形谐振腔中时,会产生多个孤子,这些孤子在谐振腔周围移动。

通常情况下,这些孤子以相同的速度运动,所以它们很少互相靠近。然而,当孤子相互碰撞时,它们可以揭示系统的重要基本物理特性,包括主谐振器的特性及其非线性特性。这意味着在光学微谐振器中演示和控制孤子碰撞是非线性动力学和孤子物理学研究人员的主要目标。

发表在《物理评论X》杂志上的文章称,EPFL的Tobias Kippenberg实验室的研究人员现在已经开发出一种新颖而有效的方法,可以在微谐振器中产生孤子碰撞。该方法使用两束激光产生两种不同的孤子物种——每种物种都有独特的移动速度——在一个水晶低语长廊模式谐振器中。

研究人员在微谐振腔中输入两个激光场,驱动两种速度失配的孤子。结果,不同速度的孤子相互碰撞。

根据孤子速度的不同,不同的孤子在碰撞后可以相互结合,也可以相互交叉。由于每次碰撞都发生在很短的时间内,传统的技术无法解决单个孤子的行为。

在这里,研究人员使用高速调制器产生的脉冲序列来探测孤子。脉冲和孤子之间的干扰产生了可以记录和分析的电子信号,使研究人员能够将结果与理论模拟进行比较,从而准确地预测实验观察结果。

这一现象表明了这些孤子在光学微谐振器中是多么的健壮。“在孤子碰撞过程中,单个孤子的形状会被严重扭曲,其能量会产生剧烈的振动,”论文的第一作者翁文乐(Wenle Weng)解释道。“然而,它们可以在碰撞的强烈冲击中幸存下来,而且它们可以在碰撞后彼此团结或分离。”

该工作引入了一个方便而强大的平台来研究复杂孤子相互作用和瞬态非线性动力学。但它也可以帮助产生同步频率梳和基于光通信的光通信。碰撞和结合机制可用于构建光学计量中非常规结构的频率梳,并在总体上提高频率梳的带宽。

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