【光学前沿】光纤激光器中耗散纯四次孤子脉动动力学的研究进展

    在光电子技术领域，超快光纤激光器因能够产生高峰值功率、宽光谱范围的超短脉冲，成为天文学、流体力学、生物医学等众多前沿学科的重要研究工具。其输出的锁模脉冲本质为光孤子，该现象的产生依赖于传播介质中群速度色散（GVD）与自相位调制（SPM）的动态平衡。长期以来，光孤子非线性动力学研究主要围绕群速度色散管理展开，而高阶色散对孤子形态的影响则较少受到关注。直至近年，光子晶体波导中负四阶色散（FOD）与克尔非线性相互作用实现光孤子稳定的研究突破，催生了“纯四次孤子”的概念，为构建工作于纯四次孤子状态的超快光纤激光器奠定了理论基础。研究表明，此类激光器输出的锁模纯四次孤子能量与脉冲持续时间的三次幂成反比，这意味着在极短脉冲条件下，其可产生比传统孤子更宽光谱的高峰值功率脉冲，展现出独特的技术优势。

    近期，华南师范大学研究团队在《OpticsExpress》发表论文，针对正四阶色散驱动的被动锁模光纤激光器中耗散纯四次孤子（DPQS）的脉动动力学展开理论研究，揭示了该类孤子在特定参数条件下的非线性演化规律。研究团队采用包含自相位调制、群速度色散、四阶色散及有限带宽增益效应的复Ginzburg-Landau方程，构建了由泵浦源、波分复用器、掺铒光纤（EDF）、单模光纤（SMF）、光谱脉冲整形器、可饱和吸收体（SA）及输出耦合器（OC）组成的激光腔模型。通过精确设定腔长、色散参数及增益特性（如SMF与EDF的群速度色散分别为-21.58ps²/km与21.2ps²/km，四阶色散通过光谱脉冲整形器补偿至0.55ps⁴），结合高时间分辨率（6fs）的数值模拟，系统分析了耗散纯四次孤子的脉动行为。

    研究结果表明，当饱和能量Esat设定为250pJ时，激光腔内形成稳定的耗散纯四次孤子。其时域特性表现为主瓣两侧对称分布的时间基座，频域呈现正啁啾及光谱边带，反映出正四阶色散与自相位调制共同作用下的脉冲整形效应——低频分量与高频分量分别以快于及慢于中心频率分量的速度传播，导致基座与主瓣的相位匹配状态。尽管基座存在固有不稳定性，但在稳定工作状态下，二者可协同传输并维持能量平衡。

    当Esat提升至290pJ时，脉冲峰值功率的增加破坏了主瓣与基座的相位匹配，引发周期性脉动。此时，主瓣与两侧基座呈现对称性能量交换，脉动周期约为32个腔周期，能量演化曲线显示二者呈反相关系，验证了耗散系统中增益-损耗机制对孤子结构的调制作用。进一步将Esat提高至294.5pJ，脉动行为从对称性能量交换转变为非对称蠕变模式：主瓣能量逐渐向基座转移，形成M形脉冲结构；由于M形脉冲两时间峰值（前导峰与尾随峰）分别由低频与高频纵模构成，其增益竞争导致峰值的交替生成与崩溃，进而引发中心波长漂移驱动的脉冲位置蠕变，脉动周期延长至约230个腔周期。该过程中，相位失配与非线性相移的耦合作用显著改变了孤子传输特性，形成区别于传统耗散孤子的复杂动力学行为。

    此项研究首次揭示了正四阶色散驱动下耗散纯四次孤子的脉动机制，证实了高阶色散对孤子形态及能量分布的关键影响。研究发现，对称基座的稳定性与泵浦功率密切相关，其从相位匹配到失配的演化过程直接导致脉动模式的转变，而M形脉冲的增益竞争机制则为理解孤子蠕变行为提供了新视角。该成果不仅丰富了光纤激光器中锁模孤子的动力学理论，也为设计高能量脉冲输出的超快激光系统提供了参数优化依据，对推动超短脉冲技术在精密加工、光通信及非线性光学等领域的应用具有重要意义。
    未来研究可进一步探索不同高阶色散组合及非线性效应下耗散纯四次孤子的稳定性边界，结合实验验证数值模拟结论，为实现孤子脉动的主动控制及新型激光器件研发奠定基础。