矢量孤子分子及其相态特性研究

Vector soliton molecule is the complex pulse envelop with multi-component structures under the effect of polarization. It is both a popular phenomenon and an inherent property in nonlinear optics communication system and fiber laser system. Our project will adopt experiment approach for studying the dynamic behavior of vector soliton molecules in fiber laser, assisited by the numerical calculation and theoretical analysis. In experiment, the vector soliton molecules with different envelop structures are achieved. Then the concept of phase state is introduced into describing the different dynamic behavior of the interior atomic components of the vector soliton molecules. The new definition of the phase state will contain the spectral and temporal information. The instantaneous vibration mode of the interior atomic components of the vector soliton molecules in different phase states will be summarized through experimental measurement and data analysis. The polarization state of the interior atomic components will be measured by point to point along the cavity. The numerical simulation will show the interactions among the atomic components and the polarization evolution in conjunction with the experimental phenomena. Our project will deepen the understanding of the nature of the optical carrier with complex fine structures such as vector soliton molecules, as well as provide the theoretical and technical supports for the potential application in high speed optics communications, ultrafast optics and coherent optics communications.

矢量孤子分子是考虑了偏振效应且具有精细结构的复杂脉冲包络。它在非线性光纤传输系统、光纤激光器系统中既是一个普遍存在的现象，也是一种本征属性。本项目采用以实验为主，数值计算与理论分析为辅的研究手段，研究光纤激光器中矢量孤子分子动力学特性。在实验上，我们将产生不同包络结构的矢量孤子分子。进而引入相态概念对不同包络结构的矢量孤子分子内部动力学行为进行定义，给出具有光谱特性与时域特性的精确概念描述。通过实验测量以及数据比对方法，分析出各相态下孤子分子内部原子脉冲偏振相关的动态振动模式。逐点测量在激光器中各相态孤子分子内部原子脉冲成分的偏振态。数值计算配合实验展示出矢量孤子分子内部成分在演化过程中的相互作用及偏振态演化情况。本项目的研究将深化对矢量孤子分子这种具有复杂结构的光载体的本质认识，为拓展其在未来高速光通信、超快光学和相干光通信等领域中的潜在应用提供理论与技术支持。

具有多脉冲复杂包络结果的矢量孤子簇是光纤光学、激光技术领域的普遍现象。对矢量孤子簇及簇内精细结构进行研究，有利于加深对具有复杂结构的光载体的本质认识，为拓展其在未来高速光通信、超快光学和相干光通信等领域中的潜在应用提供理论与技术支持。本项目采用以实验为主，数值计算与理论分析为辅的研究手段，研究四种不同谐振腔结构的光纤激光器中矢量孤子簇动力学特性。分别采用类饱和吸收体——非线性偏振旋转锁模技术（NPR）与非线性放大环路镜（NALM），和实体饱和吸收体——半导体吸收镜（SESAM）与石墨烯为锁模器搭建不同谐振腔结构的光纤激光器。比较了不同谐振腔结构下光纤激光器输出的不同矢量孤子簇格式的脉冲包络信息和光谱信息，探讨了各类矢量孤子脉冲簇及簇内子脉冲的动力学过程。主要的工作有：.（1）引入一个弱的F-P微腔结构对锁模脉冲进行调制，实验观察到周期性脉冲尖峰分布在锁模脉冲包络上。我们首次将这种新型物理现象称为加成类锁模现象。该工作揭示了腔内滤波效应能对锁模脉冲进行调制从而形成脉冲簇。.（2）对以SESAM为锁模器的环形腔激光器输出的矢量孤子脉冲与孤子簇的物理规律进行了总结。从偏振态、光谱信息、自相关曲线信息等方面给出了脉冲输出格式与脉冲偏振态之间的物理关联关系。.（3）构建了偏振相关的SESAM为饱和吸收体，使得激光器输出了丰富的孤子簇时域动力学格式。该工作不但指出了锁模器的偏振相关特性是产生孤子簇格式的物理机制之一，而且为以后方便产生孤子簇提供了技术指导。.（4）研究了石墨烯聚合物薄膜的偏振敏感的非饱和吸收效应对锁模脉冲的整形物理操作功能。指出孤子簇气相与液相形成的物理原因在于偏振敏感的非饱和吸收效应将使得孤子簇处于非束缚态或弱相关态。.（5）在基于NALM技术的8字形激光器中观察到了矢量孤子与矢量类噪声孤子簇的时域自捕获行为，初步了解紧凑型脉冲团簇的动力学机理。.（6）分析了在NPR锁模光纤激光器中脉冲自分裂形成簇的物理机理，指出谐振腔工作于正反馈区域时，谐振腔输出单脉冲。当谐振腔工作于负反馈区域时，由于峰值牵制效应导致脉冲自分裂。. 本课题的特色在于探讨了影响和产生矢量孤子簇的各种物理效应，即腔内滤波效应、锁模器的偏振特性、锁模器的非饱和吸收效应、孤子自捕获效应和脉冲自分裂效应。这些研究有利于对矢量孤子簇物理本质的理解。