北京大學(xué)物理學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)研究所、納光電子前沿科學(xué)中心、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室肖云峰教授和龔旗煌院士課題組首次討論了光力微腔中的克爾孤子光頻梳的存在，并揭示了一種新型的振動孤子態(tài)，為微腔克爾孤子光頻梳的產(chǎn)生與調(diào)控提供了新的理論指導(dǎo)。2022年2月18日，相關(guān)研究成果以“光力微腔中的振動克爾光孤子”（Vibrational Kerr solitons in an optomechanical microresonator）為題，在線發(fā)表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）。

孤子，又稱孤立波，于1834年首次被英國科學(xué)家羅素觀察到，并很快從流體力學(xué)領(lǐng)域擴(kuò)展到聲學(xué)、電磁學(xué)和光學(xué)等多個領(lǐng)域。微腔克爾孤子利用光學(xué)克爾效應(yīng)補(bǔ)償微腔內(nèi)光學(xué)波包的色散，實現(xiàn)了具有高相干性的片上鎖模激光，近年來在精密測量、時頻標(biāo)定、高速通訊等領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注。光學(xué)微腔在增強(qiáng)光學(xué)克爾效應(yīng)的同時，其高密度光場也增強(qiáng)了光輻射壓力，進(jìn)而顯著地改變了微腔中的光場動力學(xué)行為。然而，該方向的研究主要依靠實驗觀測和數(shù)值模擬，缺少細(xì)致的理論模型。

針對上述問題，北京大學(xué)物理學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)研究所、納光電子前沿科學(xué)中心、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室肖云峰教授和龔旗煌院士課題組首先建立了多模光場和機(jī)械振子的非線性耦合模型（圖1），系統(tǒng)研究了光力微腔中克爾孤子在參數(shù)空間中的動力學(xué)行為。結(jié)果表明，即使在強(qiáng)光力相互作用下，克爾光孤子仍然可以穩(wěn)定存在。進(jìn)一步，研究人員揭示了一種由光力自持震蕩引起的新型振動孤子態(tài)：孤子態(tài)在傳播的過程中保持雙曲正割型函數(shù)包絡(luò)，與此同時發(fā)生周期性的振動（圖2）。對孤子共振譜的分析和基于拉格朗日量的解析模型表明，光孤子通過光學(xué)彈簧效應(yīng)補(bǔ)償了機(jī)械振子的固有損耗以及背景光場的光學(xué)冷卻效應(yīng)，給系統(tǒng)帶來了新的不穩(wěn)定動力學(xué)行為。課題組還進(jìn)一步研究了該體系中豐富的非線性現(xiàn)象，包含極限環(huán)、倍周期分岔與瞬態(tài)混沌。該工作有望為微腔孤子克爾光頻梳的產(chǎn)生與調(diào)控提供新的理論指導(dǎo)，為實現(xiàn)分頻、高靈敏傳感等應(yīng)用提供一種新的可行方案，并且為探索多體非線性相互作用提供新的研究思路。

圖1 (a) 光力微腔中的孤子脈沖示意圖；(b) 光學(xué)和機(jī)械模式相互作用示意圖

圖2 (a) 不同時刻的超短孤子脈沖波形; (b) 光譜演化圖

2022年2月18日，相關(guān)研究成果以“光力微腔中的振動克爾光孤子”（Vibrational Kerr solitons in an optomechanical microresonator）為題，在線發(fā)表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）。課題研究人員包括北京大學(xué)物理學(xué)院2019級碩士研究生石佳辰、2016級本科生紀(jì)青鑫（現(xiàn)在加州理工學(xué)院攻讀博士學(xué)位）、北京大學(xué)“博雅”博士后曹啟韜、2017級本科生郁言（現(xiàn)在加州理工學(xué)院攻讀博士學(xué)位）和北京大學(xué)物理學(xué)院劉文靜研究員。

上述研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、北京市科技計劃、北京市自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金，及北京大學(xué)高性能計算平臺和山西大學(xué)極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心等支持。

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