摘要：近日，清华大学精密仪器系杨昌喜和鲍成英团队的曹博、刘钟书、高晨心、焦正昊、王艺霏等在Optica上发表了以「oherence memory and amnesia in a mode-locked Mamyshev oscillator」题的研究论文。该文章基
近日，清华大学精密仪器系杨昌喜和鲍成英团队的曹博、刘钟书、高晨心、焦正昊、王艺霏等在Optica上发表了以「oherence memory and amnesia in a mode-locked Mamyshev oscillator」题的研究论文。该文章基于Mamyshev振荡器平台，研究发现外部种子提供了一种对腔内脉冲特性进行控制的手段，在这个过程中，相干种子注入振荡器后具有相干性「记忆」与「失忆」两种建立锁模的路径，基于脉冲相干性「记忆」以实现多脉冲时间间隔控制。该文章为研究锁模激光器的起振过程、脉冲短时动力学过程控制以及多脉冲时间间隔控制提供了新的思路。
研究背景
在超快激光振荡器中，通过色散、非线性、增益和损耗间的相互作用，可以实现各模式的相位锁定（即锁模），从而得到耗散光学孤子与超短脉冲。时域上，这些超短脉冲极大地提升了光学测量的时间分辨率；频域上，超短脉冲串对应光学频率梳，是当前频率计量的重要工具。锁模建立的过程相对复杂，且绝大部分锁模激光器是从噪声中起振产生相干脉冲，这使得脉冲相干性的建立过程以及多脉冲时间间隔的精确控制成为超快激光研究中的一大难点。
相干性演化路径：「记忆」与「失忆」
根据腔内反转粒子数积累的多少不同，种子脉冲注入Mamyshev振荡器后，所经历的初始增益将存在较大不同，这使得激光器存在相干性「记忆」和「失忆」两种完全不同的演化路径。在高初始增益下，注入脉冲会得到较大的放大和非线性扩谱，这会导致注入脉冲相干性被打破、退化为近似噪声的状态，经过一段时间的混沌演化后再产生相干脉冲，即重新建立锁模的过程，也就是相干性「记忆」区。相反，在初始增益较小的情况下，注入种子则不会经历上述的大幅度非线性扩谱、相干性丢失与混沌的过程，种子脉冲的相干性可以被较好地保持，从而使得激光器快速收敛到锁模状态，这对应另一个相干性「记忆」区（图1）。通过相干性记忆区，我们可以实现对多脉冲间距的精准控制。
图1 | 种子注入建立锁模过程的相干性「记忆」与「失忆」示意图。
孤子分子的「记忆」
孤子分子是激光器中极其特殊的现象：两个孤子可以在某些作用力下紧密地「绑定」在一起传输。从噪声中产生的孤子分子存在复杂的演化过程，实现对孤子分子的动力学控制具有非常大的挑战。基于相干性记忆过程，研究团队演示了如何进行孤子分子的受控合成，如图2所示。通过设计双脉冲的注入种子，可以实现锁模激光器中的耗散孤子分子状态的高效产生；且所产生的耗散孤子脉冲的间距与注入脉冲对的间距相关。研究团队更进一步在实验和仿真中观测到一个耗散孤子分子间距的「台阶」现象，即但注入脉冲间距小于某个阈值时，所获得耗散孤子分子的间距总是一个定值。更进一步，研究团队还实现了更复杂的多脉冲的状态的控制，并实现了简易的光学振荡器全光比特存储，这极大地丰富了锁模激光器的控制手段和应用潜力。
图2 | 可控脉冲间隔孤子分子的合成。
全光比特存储
在上述研究的基础上，研究团队演示了振荡器可以进行二进制的全光存储。这些字母以字母表中的顺序进行二进制格式编码，使用1位校验位（r）和5位数据位。当振荡器工作在记忆区时，通过外部设计种子图案，编写的脉冲序列可用于将字符串 「THUDPI 」缓存到Mamyshev振荡器中，并以振荡器的周期连续输出（图3）。未来在傅立叶域中对种子进行脉冲整形可用于实现高度复杂的种子制备。这种对腔内脉冲结构进行手动调控的能力对于超快激光的一些应用（比如非线性成像、飞秒脉冲加工等）都具有独特的意义。
图3 | 英文「THUDPI」的全光比特存储。
讨论
该研究是超快激光器动力学领域中非常新颖的一个工作，所观测的现象在其他锁模激光器也将普适存在。该工作向人们表明：可以通过外部手段对超快激光振荡器的腔内结构进行控制。作者团队也进一步讨论了这种相干性「记忆」和「失忆」现象的普适性以及如何在其他常见的激光器（如孤子型激光器）中进行复现和应用。同时，这篇工作也启发我们，其他的一些激光平台，如量子级联激光器、量子点激光器、相干泵浦的高Q值微腔也应当具有类似的特性。除了光子学，这篇工作对于研究其他自组织动力学的领域也具有启发意义。
论文信息：
Bo Cao, Zhongshu Liu, Chenxin Gao, Zhenghao Jiao, Yifei Wang, Changxi Yang, and Chengying Bao, "Coherence memory and amnesia in a mode-locked Mamyshev oscillator," Optica 11, 1673-1681 (2024)
--中国光学
来源：Future远见
