科学家终于破解了“呼吸”激光数十年未解之谜

一项新模型显示，两种截然不同的激光脉冲行为从根本上存在关联。

包括阿斯顿大学科学家在内的一支国际研究团队揭示了“呼吸子”激光脉冲的工作原理。他们创建了一个单一的数学模型，首次将两种差异显著的激光行为纳入同一框架进行解释。

超快激光能产生仅持续皮秒或飞秒的极短光脉冲。这种超短脉冲使其在眼科手术、生物医学成像、精密材料加工和先进制造等任务中不可或缺。更深入地理解这类激光的行为，有助于科学家更有效地控制它们，从而提高可靠性并实现更专门化的应用。

在超快激光内部，光脉冲在腔体中循环，并能够形成被称为孤子的稳定波结构。与普通会扩散的光脉冲不同，孤子在传播过程中能保持自身形状。在大多数情况下，这些脉冲形态一致且有规律地重复，这种模式被称为稳态发射。

相比之下，“呼吸”激光的行为则不同。随着孤子在腔内移动，其形态会随时间变化，像呼吸一样周期性地膨胀和收缩。这种行为反映了一种非平衡态，意味着激光输出是持续演化的，而非保持恒定。

两种截然不同的呼吸模式

实验已经识别出两种主要的“呼吸”行为。当激光工作在维持脉冲所需的最低功率（即阈值）之上时，孤子会快速振荡，仅在腔内往返几次就能完成一个呼吸周期。

而当工作在阈值以下时，这一过程会大幅减慢。在此模式下，孤子可能需要数百乃至数千次往返才能完成一次振荡。

统一的数学模型

此前，科学家们需要用各自独立的数学描述来解释这两种模式。由阿斯顿大学光子技术研究所的Sonia Boscolo博士参与开发的这一新模型，将两种行为统一到了一种解释中。

研究人员将腔内光场的快速演化与激光器能量供应的较慢变化结合起来。这一方法表明，这两种行为并非互不相关的现象，而是同一基础物理的不同表现。他们的发现近日发表在《物理评论快报》上。

Boscolo博士说：“阈值以上和阈值以下的呼吸孤子表现出显著不同的行为。阈值以上的呼吸子振荡迅速，并能与腔体锁定，产生梳状射频频谱和高阶锁频状态，并在光谱中出现特征性的边带。阈值以下的呼吸子则演化得缓慢得多，产生密集簇射频频谱，没有严格的可公度性，也没有光学边带。我们的新仿真能够一次性准确预测这两种快慢周期，而这在以前被认为用单一模型是不可能实现的。”

“我们的工作提出了一个改进的离散模型，它在保留详细腔体描述的同时，纳入了激光增益介质的慢速动力学。这个统一框架精确复现了两种模式下所有实验观察到的行为，并揭示了它们背后的机理：阈值以下的呼吸源于调Q与孤子整形共同作用，而阈值以上的呼吸子则由克尔非线性和色散主导。”

“这一发现弥合了激光科学中存在已久的空白，并为设计下一代光基技术提供了至关重要的工具。”

对未来激光技术的影响

随着人们对更可靠、更强大的光学系统的需求增长，研究人员认为这个统一框架将有助于指导未来超快激光器的设计。他们预计该模型将成为工程师的实用工具，使其无需依赖多个独立的仿真，就能更容易地预测和研究复杂的激光行为。

相关链接：https://doi.org/10.1103/rk2z-ymkn