北京大學物理學院現(xiàn)代光學研究所、納光電子前沿科學中心、人工微結構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生與調控提供了新的理論指導。2022年2月18日，相關研究成果以“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年首次被英國科學家羅素觀察到，并很快從流體力學領域擴展到聲學、電磁學和光學等多個領域。微腔克爾孤子利用光學克爾效應補償微腔內光學波包的色散，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、時頻標定、高速通訊等領域得到了廣泛的關注。光學微腔在增強光學克爾效應的同時，其高密度光場也增強了光輻射壓力，進而顯著地改變了微腔中的光場動力學行為。然而，該方向的研究主要依靠實驗觀測和數(shù)值模擬，缺少細致的理論模型。

針對上述問題，北京大學物理學院現(xiàn)代光學研究所、納光電子前沿科學中心、人工微結構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)空間中的動力學行為。結果表明，即使在強光力相互作用下，克爾光孤子仍然可以穩(wěn)定存在。進一步，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，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，光孤子通過光學彈簧效應補償了機械振子的固有損耗以及背景光場的光學冷卻效應，給系統(tǒng)帶來了新的不穩(wěn)定動力學行為。課題組還進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生與調控提供新的理論指導，為實現(xiàn)分頻、高靈敏傳感等應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) 光學和機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物理學院2019級碩士研究生石佳辰、2016級本科生紀青鑫（現(xiàn)在加州理工學院攻讀博士學位）、北京大學“博雅”博士后曹啟韜、2017級本科生郁言（現(xiàn)在加州理工學院攻讀博士學位）和北京大學物理學院劉文靜研究員。

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

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